GÜÇ ELEKTRONİĞİ

GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
1.
Güç Elektroniğinin Kapsamı ve Uygulamaları
2.
Temel Yarı İletken Güç Elemanları
3.
Diğer Yarı İletken Güç Elemanları
4.
Güç Elemanlarının Karşılaştırılması
5.
AC-DC Dönüştürücüler / Doğrultucular
6.
AC-AC Dönüştürücüler / AC Kıyıcılar
7.
DC-AC Dönüştürücüler / İnverterler
8.
DC-DC Dönüştürücüler / DC Kıyıcılar
9.
Güç Elemanlarında Kayıplar ve Isınma
10. Temel Yarı İletken Kontrol Elemanları
11. Güç Elektroniğinde Temel Kontrol Düzenleri
12. Güç Elektroniğinde Temel Koruma Düzenleri
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
1. GÜÇ ELEKTRONİĞİNİN KAPSAMI ve UYGULAMALARI
A) GÜÇ ELEKTRONİĞİNİN TANIM ve KAPSAMI
GÜÇ ELEKTRONİĞİNİN TANIMI
Güç Elektroniği, temel olarak yüke verilen enerjinin kontrol edilmesi ve enerji şekillerinin
birbirine dönüştürülmesini inceleyen bilim dalıdır. Güç Elektroniği, Elektrik Mühendisliğinin
oldukça cazip ve önemli bir bilim dalıdır. Güç Elektroniği, temel olarak Matematik ve Devre
Teorisi ile Elektronik bilgisi gerektirir.
YÜKE VERİLEN ENERJİNİN KONTROLÜ
Yüke verilen enerjinin kontrolü, enerjinin açılması ve kapanması ile ayarlanmasını içerir.
1. Statik (Yarı İletken) Şalterler
a) Statik AC şalterler
b) Statik DC şalterler
2. Statik (Yarı İletken) Ayarlayıcılar
a) Statik AC ayarlayıcılar
b) Statik DC ayarlayıcılar
ENERJİ ŞEKİLLERİNİN BİRBİRİNE DÖNÜŞTÜRÜLMESİ
Elektrik enerji şekillerini birbirine dönüştüren devrelere genel olarak Dönüştürücüler adı verilir.
Dört temel dönüştürücü vardır. Bu dönüştürücüler aşağıdaki diyagramda özetlenmiştir.
Dönüştürücüler
Dönüştürücülerde kullanılan kısaltmalar
DC : Doğru Akım şeklindeki elektrik enerjisi
AC : Alternatif Akım şeklindeki elektrik enerjisi
Ud : DC gerilim (ortalama değer)
U : AC gerilim (efektif değer)
F : Frekans
q : Faz sayısı
2
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
1. AC-DC Dönüştürücüler / Doğrultucular, Redresörler
AC
U, f, q
Enerji
⎯⎯ ⎯
⎯→
DC
Ud
Temel Özellikleri
•
•
Doğal komütasyonludur.
Tristör ve diyotlarla gerçekleştirilir.
Başlıca Uygulama Alanları
•
•
•
•
DC motor kontrolü
Akümülatör şarjı
Galvano teknikle kaplama
DC gerilim kaynakları
2. DC-AC Dönüştürücüler / İnverterler, Eviriciler
DC
Ud
Enerji
⎯⎯ ⎯
⎯→
AC
U, f, q
Temel Özellikleri
•
•
•
•
•
•
•
•
Zorlamalı komütasyonludur.
Yüksek güç ve düşük frekanslarda SCR kullanılır.
Orta güç ve orta frekanslarda BJT kullanılır.
Düşük güç ve yüksek frekanslarda MOSFET kullanılır.
Ayrıca, diğer güç elemanları,
GTO yüksek güç ve düşük frekanslarda,
IGBT ortanın üzerindeki güç ve frekanslarda,
MCT yüksek güç ve orta frekanslarda kullanılmaktadır.
Başlıca Uygulama Alanları
•
•
•
•
•
AC motor kontrolü
Kesintisiz güç kaynakları
Endüksiyonla ısıtma sistemleri
Yüksek gerilim DC taşıma sistemleri
AC gerilim kaynakları
3. DC-DC Dönüştürücüler / DC Kıyıcılar
DC
Ud1
Enerji
⎯⎯ ⎯
⎯→
DC
Ud2 < Ud1
3
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Temel Özellikleri
•
•
Zorlamalı komütasyonludur.
Eleman seçimi inverterdeki gibidir.
Başlıca Uygulama Alanları
•
•
•
DC motor kontrolü
Akümülatör şarjı
DC gerilim kaynakları
4. AC-AC Dönüştürücüler / AC Kıyıcılar, Doğrudan Frekans Dönüştürücüler
AC Kıyıcılar
AC
U1, f1, q1
Enerji
⎯⎯ ⎯
⎯→
AC
U2, f2, q2
f1 = f 2 ⎫
⎬ ⇒ U1 → U 2
q1 = q 2 ⎭
AC KIYICI / FAZ KESME DEVRESİ
Temel Özellikleri
•
•
Doğal komütasyonludur.
Tristör ve triyaklarla gerçekleştirilir.
Başlıca Uygulama Alanları
•
•
Omik yüklerde güç kontrolü, temel olarak ısı ve ışık kontrolu
Vantilatör karakteristikli yükleri (fan, pompa, ve kompresör gibi) tahrik eden düşük
güçlü AC motor kontrolü
Doğrudan Frekans Dönüştürücüler
f1 ≠ f 2 ⎫
⎪
q1 ≠ q 2 ⎬ ⇒ U1 , f1 , q1 → U 2 , f 2 , q 2
U1 ≠ U 2 ⎪⎭
DOĞRUDAN FREKANS DÖNÜŞTÜRÜCÜ
Temel Özellikleri
•
•
•
Doğal komütasyonludur.
Tristörlerle gerçekleştirilir.
Düşük hızlarda kontrol imkanı sağlar.
Başlıca Uygulama Alanları
•
Çok düşük devirlerde çalışan ağır iş makinalarının (yol kazma, taş kırma, maden
çıkarma makinaları gibi) kontrolü
4
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
B) GÜÇ ELEKTRONİĞİNİN ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARI
Güç Elektroniğinin statik ve dinamik temel endüstriyel uygulama alanları ile diğer önemli
endüstriyel uygulama alanları aşağıdaki gibi sıralanabilir.
1. Temel Statik Uygulamalar
•
•
•
•
•
•
•
Kesintisiz Güç Kaynakları (KGK, UPS)
Anahtarlamalı Güç Kaynakları (AGK, SMPS)
Rezonanslı Güç Kaynakları (RGK, RMPS)
Endüksiyonla Isıtma (EI, EH)
Elektronik Balastlar (EB, EB)
Yüksek Gerilim DC Taşıma (YGDCT, HVDC)
Statik VAR Kompanzasyonu (SVK, SVC)
2. Temel Dinamik Uygulamalar
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Genel Olarak DC Motor Kontrolü
Genel Olarak AC Motor Kontrolü
Sincap Kafesli (Kısa Devre Rotorlu) Asenkron Motor Kontrolü
Bilezikli (Sargılı Rotorlu) Asenkron Motor Kontrolü
Lineer Asenkron Motor Kontrolü
Senkron Motor Kontrolü
Üniversal Motor Kontrolü
Adım Motoru Kontrolü
Relüktans Motor Kontrolü
3. Diğer Önemli Uygulamalar
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Aydınlatma ve Işık Kontrolü Sistemleri
Isıtma ve Soğuma Sistemleri
Lehim ve Kaynak Yapma Sistemleri
Eritme ve Sertleştirme Sistemleri
Eleme ve Öğütme Sistemleri
Asansör ve Vinç Sistemleri
Yürüyen Merdiven ve Bant Sistemleri
Pompa ve Kompresör Sistemleri
Havalandırma ve Fan Sistemleri
Alternatif Enerji Kaynağı Sistemleri
Akümülatör Şarjı ve Enerji Depolama Sistemleri
Elektrikli Taşıma ve Elektrikli Araç Sistemleri
Uzay ve Askeri Araç Sistemleri
Yer Kazma ve Maden Çıkarma Sistemleri
Ayrıca, Güç Elektroniği, Disiplinlerarası Bilim Alanları olarak bilinen
• Endüstriyel Otomasyon
• Mekatronik
• Robotik
bilimleri içerisinde de yoğun bir şekilde yer almaktadır.
5
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
2. TEMEL YARI İLETKEN GÜÇ ELEMANLARI
A) TEMEL KONTROLSÜZ GÜÇ ELEMANI DİYOT
Yapı, Sembol ve İletim Karakteristiği
Yapı
Sembol
A : Anot
K : Katot
Açıklama
İletim Karakteristiği
En basit yapılı kontrolsüz yarı iletken elemandır.
İletim yönünde, eşik geriliminin üzerinde küçük
değerli bir iç dirence sahip olan bir iletken gibidir.
Kesim yönünde ise, delinme gerilimine kadar çok
küçük sızıntı akımlar geçiren bir yalıtkan gibidir.
Ud : Delinme Gerilimi
UTO : Eşik Gerilimi
rT : Eşdeğer Direnç (μΩ - mΩ mertebelerinde)
Güç diyodu, Ud geriliminde tahrip olur ve iletken
hale gelir. Yüksek ve sabit bir gerilim altında
akımın sonsuza gittiği bu tür devrilmelere, genel
olarak çığ devrilme denilmektedir.
Çığ devrilmeye maruz kalan yarı iletken
elemanlar, güç kaybından dolayı genellikle tahrip
olur yani bozulurlar. Tahrip olan yarı iletken
elemanlar ise, genellikle kısa devre olurlar.
Güç diyotları, pozitif yönde akımı geçirmeleri ve
ters yönde akımı tutmaları için, oldukça yaygın
olarak kullanılmaktadır. Normal, hızlı ve çok hızlı
diyot türleri mevcuttur. Normal diyotlar,
genellikle AC şebekeye bağlı doğrultucu ve AC
kıyıcı devrelerinde kullanılmaktadır. Hızlı
diyotlar ise, genellikle inverter ve DC kıyıcılarda
kullanılmaktadır. Günümüzde Ters Toparlanma
Süresi veya Sönme Süresi birkaç 10 ns olan
diyotlar üretilebilmektedir.
6
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
B) TEMEL KONTROLLÜ GÜÇ ELEMANLARI
1. TRİSTÖR (SCR)
Yapı, Sembol ve İletim Karakteristiği
Yapı ve Sembol
İletim Karakteristiği
Karakteristik Değerler
iG
: Kapı Akımı
: Kapı Gerilimi
uG
IGT
: Tetikleme Akımı.
UGT : Tetikleme Gerilimi
IGTM : Max. Kapı Akımı
UGTM : Max. Kapı Gerilimi
: Devrilme gerilimi
uB
UB0 : Sıfır Devrilme Gerilimi
IH
: Tutma Akımı (mA)
IL
: Kilitleme Akımı (mA)
⇒ IL > IH
Ud
: Delinme Gerilimi
du
⏐krt: Kritik Gerilim Yükseltme Hızı (V/μs)
dt
di
⏐krt : Kritik Akım Yükseltme Hızı (A/μs)
dt
tq
: Sönme Süresi (μs)
Qs
: Taban Tabakalarında Biriken Elektrik Yükü (μAs)
UDRM : Max. Periyodik (+) Dayanma Gerilimi
⇒
UDRM < UB0
URRM : Max. Periyodik (-) Dayanma Gerilimi
⇒
URRM < Ud
ITAVM : Sürekli Çalışmada Tristörün Max. Ortalama Akımı
ITEFM : Sürekli Çalışmada Tristörün Max. Efektif Akımı
ITmax⏐t:= 10 ms : 10 ms için Tristörün Max. Akımı
7
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
2
2
∫ i dt : Tristörün Max. Sınır Yükü (μA s)
θvj
: Jonksiyon Sıcaklığı
θvjmax : Max. Jonksiyon Sıcaklığı
NOT : IGT = f (UTM, θVj), IGT : Her türlü şartlar altında tristörü tetikleyebilen değerdir.
Tristörün İletim ve Kesimde Kilitlenme Özelliği
Kapısına kısa süreli ve yeterli bir akım sinyali uygulanan tristör tetiklenir ve iletime girer. Kısa
süreli bir sinyal ile iletime girdiği için tristöre Tetiklemeli Eleman da denmektedir. İletimdeki
bir tristörün içinden geçen akım kilitleme akımına eriştiğinde, tristör iletimde olarak kilitlenir
ve artık kapı akımı kesilse de iletimde kalır.
İletimde olan bir tristörün içinden geçen akım herhangi bir şekilde tutma akımının altına
düşerse, tristör otomatik olarak kesime girer. Bu andan itibaren en az sönme süresi kadar tristör
negatif bir gerilimle tutulur veya tekrar bir pozitif gerilim (≥ 0,6 V) uygulanmaz ise, tristör
kesimde olarak kilitlenir ve artık pozitif gerilim uygulansa da kesimde kalır. Bu nedenle,
tristöre Kilitlemeli Eleman da denilmektedir.
Tristörde iletime girme işlemi kontrollü olup, kesime girme işlemi kontrolsüzdür. Bu nedenle
tristöre Yarı Kontrollü Eleman da denilmektedir.
Tristörün Kendiliğinden İletime Geçme Sebepleri
1. Bir tristörün uçlarındaki gerilimin değeri bu tristörün sıfır devrilme gerilimi değerine
erişirse, yani
uT ≥ UB0 ise,
bu tristör kendiliğinden iletime geçer.
2. Bir tristörün uçlarındaki gerilimin yükselme hızı değeri bu tristörün kritik gerilim yükselme
hızı değerine erişirse, yani
du T
du
≥
⏐krt ise,
dt
dt
bu tristör kendiliğinden iletime geçer.
3. Yeni iletimden çıkan bir tristörün negatif
gerilimle tutulma süresi bu tristörün
sönme süresinden küçükse, yani
t N < t q ise,
bu tristör kendiliğinden iletime geçer.
8
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Tristörün Tahrip Olma Sebepleri
1. uT > Ud ise, çığ devrilme ve aşırı güç kaybı ile mak. sıcaklık sınırı aşılır ve tristör bozulur.
2. ITAV > ITAVM ve ITEF > ITEFM ise, aşırı güç kaybı ile mak. sıcaklık sınırı aşılır ve tristör bozulur.
2
3. ∫ iT dt > ∫ i 2 dt ise, aşırı güç kaybı nedeniyle mak. sıcaklık sınırı aşılır ve tristör tahrip olur.
diT
di
>
⏐krt ise, iletime girmede ilk oluşan dar iletken kanalda mak. sıcaklık sınırı aşılır ve
dt
dt
tristör bozulur. Buna sicim olayı adı verilir.
5. θvj > θvjmax ise, aşırı güç kayıplarının sonucu olarak, yarı iletken yapı bozulur.
4.
Bu durumlarda tristör genellikle iletken hale gelir veya kısa devre olur.
Tristörün Tetiklenmesi
td : Gecikme Süresi
tr : Yükselme Süresi, Açma Süresi
ts : Yayılma Süresi
t ON = t d + t r + t s
t r süresi sonunda, kapı akımı civarında ana akımın geçtiği dar bir
kanal oluşur. ts süresi sonunda ise, ısınma etkisi ile akım bütün
jonksiyon yüzeyine yayılır. tr süresi sonunda oluşan kanaldan
geçen akım bu kanalın iletkenliğini arttırır. İletkenliği artan
kanaldan daha çok akım geçer. Bu olay zincirleme bir şekilde sürer
ve akım bütün yüzeye yayılır. Fakat, akımın yükselme hızı kritik
akım yükselme hızına erişirse, akım bütün yüzeye yayılmadan bu
kanalın sıcaklığı max. değere erişir ve bu kanal tahrip olur. Böylece,
yarı iletken yapı bozulur ve iletken hale gelir. Bu şekildeki
bozulmaya sicim olayı denir.
Sicim Olayı nedeniyle tristörün tahrip olmaması için,
di
di
⏐krt olacak şekilde, tristöre bağlanan küçük değerli bir seri endüktans ile akım
1. T ≤
dt
dt
artış hızı sınırlandırılmalıdır.
2. Üretim esnasında, kapı akımının uygulandığı nokta veya
punto sayısı arttırılmalıdır.
9
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Tristörün Söndürülmesi
Qs
: Taban Tabaklarında Biriken Elektrik Yükü (μAs)
I TM : Sönme Öncesi Tristörden Geçen Akım (A)
di / dt : Sönme Esnasında Tristör Akımının Azalma Hızı (A/μs)
t q : Sönme Süresi (μs)
U T : İletim Gerilim Düşümü (V)
Tristör ve Diyodun İletim Gerilim Düşümü
uT = UT0 + rT . iT
UT0 : Eşik Gerilimi
rT : Eşdeğer Direnç (μΩ-mΩ mertebelerinde)
Tristörün Uygulama Alanları
Tristör, kontrollü bir diyottur. Kapısına sürekli ve yeterli bir sinyal verilen tristör, diyoda
eşdeğerdir ve diyot gibi davranır. Diyodun da kontrolsüz bir tristör olduğu söylenebilir.
İletimden çıkma olayı ikisinde de aynıdır. Tristör ve diyotlar, normal akım ve kısa süreli ani
akım değerleri en yüksek olan elemanlardır.
Tristörlerin de normal ve hızlı türleri mevcuttur. Sönme Süresi, normal tristörlerde birkaç 100 μs
civarında, hızlı tristörlerde ise 100 μs’nin altındadır. Normal Tristörler, AC şebekeye bağlı
doğrultucular ile AC kıyıcılarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Hızlı Tristörler ise, tam
kontrollü güç elemanlarının güçleri yetmediğinde, inverter ve DC kıyıcılarda kullanılmaktadır.
Elektrikli taşıma sistemlerinde kullanılan DC kıyıcılar ile endüksiyonla ısıtma sistemlerinde
kullanılan inverterler buna örnek gösterilebilir.
10
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Tristörlü Örnek Devreler
Tetikleme
Sinyali
1. Tristörlü bir AC Uygulama
Bu devrede, tristör, α anında kısa süreli bir sinyalle tetiklenir ve iletimde olarak kilitlenir.
Tristör içerisinden akım geçtiği sürece iletimde kalır. π anında akımın 0 olmasıyla, tristör
kendiliğinden doğal olarak söner yani kesime girer. Yeni bir pozitif yarım dalgada yeni bir α
anında tekrar tetikleninceye kadar tristör kesimde kalır. Sonuç olarak, tristör, pozitif yarım
dalgalarda ve α-π aralıklarında iletimde kalır ve sinüsoidal bir akım geçirir. α açıları
değiştirilerek yükün gücü ayarlanabilir yani güç kontrolü yapılabilir. Bu devre, yarım dalga
kontrollü bir doğrultucu olup, doğal komütasyonlu bir devredir.
2. Tristörlü bir DC Uygulama
Bu devrede ise, yine kısa süreli bir sinyal ile iletime giren tristör, içerisinden geçen akım hiç
kesilmeyeceğine göre, doğal olarak hiç iletimden çıkmaz ve sürekli akım geçirir. Ancak, ilave
devre ve düzenlerle istenildiği zaman zorla söndürülebilir. Tristörün iletimde kalma oranı
değiştirilerek güç kontrolü yapılabilir. Bu devre ise, bir DC kıyıcı olup, zorlamalı
komütasyonlu bir devredir.
11
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
2. BİPOLAR TRANSİSTÖR ( BJT )
Yapı, Sembol ve İletim Karakteristiği
npn türü
Yapı
Sembol
pnp türü
C : Kollektör, E : Emiter, B : Taban
İletim Karakteristiği
Temel bir Transistör Devresi
Temel Özellikler
• Yük genellikle C ucuna bağlanır. Taban akımı daima E–B arasında geçer ve akımın yönü
p’den n’ye doğrudur. Ana akım ile taban akımı daima aynı yöndedir.
• B ile C arasında bir akım geçerek, transistör ters ve istenmeyen kötü bir iletime girebilir.
Bu durum önlenmelidir.
• Transistörün çığ devrilmeye girmesi elemanı tahrip eder.
• Güç devrelerinde transistör ya tam iletimde (kalın çizgi üzerinde) ya da tam kesimde
çalıştırılmalıdır. Buna Anahtarlama Elemanı olarak çalışma denilir. Tristörler doğal
olarak böyle çalışır.
• Transistörde giriş olduğu sürece çıkış vardır. Transistör bir Tam Kontrollü Elemandır.
• Giriş akım, çıkış akımdır.
12
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
• İletim gerilim düşümü veya iletim kaybı en düşük olan elemandır.
• Anahtarlama güç kaybı en yüksek olan elemandır.
• Alt bölgelerde karakteristikler paralel ve eşit aralıklıdır. Bu bölgede sabit kazançla akım
yükseltme işlemi yapılabilir. Fakat güç devrelerinde bu yapılamaz.
Genel Tanımlar
iC = βF . iB
iC = βF . iB
iE = iC + iB = (1 + βF ) iB uR = RL . iC
uCE = UL - uR
βF : DC Akım Kazancı uCE = UL - RL.iC → Yük Doğrusu
UBE ≅ 0,6 V
U − u BE
iB = L
RB
Doyum ve Aşırı Doyum
iB = IBB ise, uCE = uBE olur.
Buna Sınırda Çalışma denir.
iB = IBS ise, uCE = UCEsat ve iC = ICmax olur.
Buna Doyumda Çalışma denir.
IBB < iB < IBS ise, uCE < uBE olur.
Buna Doyum Bölgesinde Çalışma denir.
iB > IBS ise, yine uCE = UCEsat ve iC = ICmax olur.
Buna da Aşırı Doyumda Çalışma denilir.
• B-E arası normale göre iç direnci oldukça büyük olan bir diyot jonksiyonudur. Doyum
karakteristiği ile uBE karakteristiği arasındaki bölgeye Doyum Bölgesi denir.
• Bir transistörün iletimden çıkma süresi, iB akımının doyum fazlası ile orantılıdır. Aşırı
doyum, transistörün hızını düşürür ve anahtarlama kayıplarını arttırır. Aynı zamanda, B-C
jonksiyonundan akım geçirerek ilave kayıplara sebep olabilir.
Emniyetli Çalışma Alanı (SOA)
Bir transistörün aynı anda hangi akım ve gerilim
değerlerinde kullanılabileceği, Emniyetli Çalışma
Alanı (SOA) ile verilir. Bir transistörde, nominal
akım ve gerilim değerleri, aynı anda
kullanılabilecek değerler değildir. Tristörlerde
nominal değerler aynı anda kullanılabilir.
Tristörlerde SOA alanı gibi bir sınırlama mevcut
değildir.
13
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
İletime ve Kesime Girme
tr : Yükselme Süresi
ts : Yayılma Süresi
tf : Düşme Süresi
tON ≅ tr
tOFF ≅ ts + tf
tSW = tON + tOFF
≅ tr + ts + tf
• Anahtarlama esnasındaki ani güç kaybı çok yüksektir. Bir yarı iletkenin toplam güç kaybı,
anahtarlama ve iletim güç kayıplarının toplamına eşittir. Düşük frekanslarda iletim güç
kaybı, yüksek frekanslarda ise anahtarlama güç kaybı daha etkilidir.
• Transistörler, orta güç ve orta frekanslarda en yaygın olarak kullanılan en ucuz yarı
iletken güç elemanlarıdır.
Transistörün Uygulama Alanları
Transistörler, normal olarak, orta güç ve frekanslarda, zorlamalı komütasyonlu olan inverter ve
DC kıyıcı devrelerinde kullanılmaktadır. Ancak, uygulama alanları gittikçe azalmaktadır.
Transistörün Sürülmesinde Önemli Olan Hususlar
•
•
•
•
•
•
•
İletime girme ve çıkma SOA alanı içinde olmalıdır.
Sürekli çalışmada ICmax değeri aşılmamalıdır.
İletime girerken dic /dt ve iletimden çıkarken duCE /dt değerleri sınırlanmalıdır. Bu, kayıp
güçleri azaltır.
İletime sürme ve iletimden çıkarma sinyali ani akım darbeli olmalı, sürekli sürme akımı ise
ana akımla tam uyum içinde olmalıdır. Aşırı doyum önlenmelidir. Bu, elemanı hızlandırır
ve kayıpları azaltır.
B–E uçları (eleman girişi) uygun bir direnç ile köprülenmelidir. Bu, kaçak, sızıntı ve
deplasman akımlarına karşı elemanı korur, kayıpları azaltır.
Ters gerilim uygulanmamalıdır. Güç transistörünün ters gerilim tutma özelliği yoktur.
Normal olarak -30 V civarındadır. Girişi dirençle köprülenmiş bir transistör negatif
gerilim tutma özelliğini tamamen kaybeder.
Eleman elektronik olarak korunmalıdır.
14
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Genel bir Sürme Devresi ve Aşırı Doyumun Önlenmesi
L
: İletime girerken dic /dt’ yi sınırlar.
RB ve CB : Her yarı iletkene paralel olarak konulması gereken ( R–C ) elemanıdır. İletimden
çıkarken duCE /dt ve UCEmax’ı sınırlar.
RBS : Giriş akımını sınırlar. Gerilim sinyalini akım sinyaline dönüştürür.
RBP : Sızıntı ve deplasman akımına karşı koruma görevi yapar.
D1, D2 ve D3 : Aşırı doyumu önler, transistörün belirli bir gerilim düşümü ile çalışmasını
sağlar.
D4 veya D5 : Transistörü ters akım ve gerilimlere karşı korur.
İletime girme esnasında
D3 diyodu kesimdedir.
UCE : Çok yüksek veya UA’dan büyüktür.
UA = 2 UD
UD : Bir diyottaki gerilim düşümü.
UD ≅ 0,6 V
UBE ≅ UD
İD3 = 0
ig =
Ug − UA
R BS
ig = iB = iRBP + iB
U
i RBP = BE
R BP
iRBP << iB olmalıdır. iB ≅ ig olur.
’
İletim durumda
D3 diyotu daima iletimde olmalıdır.
ig = iB’+ iD3
iD3 = ig - iB’
iB’= iRBP + iB
iRBP = UBE / RBP
iB = iC / βF
UD1 + UBE = UD3 + UCE
UD1 = UD3 = UD
⇒ UCE = UBE ≅ UD
İletimden çıkma esnasında
Transistörde E’den B’ye doğru kararlı rejimde bir akım geçmez.
’
ig = iB = iBP + iB
Sadece transistör iletimden çıkıncaya kadar E’den B’ye doğru bir
İD3 = 0, D3 kesimde. akım geçer. Bu akım, kesime girmeyi büyük ölçüde hızlandırır.
Transistör kesime girdiğinde ters iB akımı kendiliğinden sıfırlanır.
15
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Yükseltmeli bir Sürme Devresi
Ters-paralel bağlı iki elamandan birisinin iletimde olması, diğerinin kesimde olmasını garanti
eder. Burada transistörlerin tabanları ters-paralel bağlı olduğundan, iki transistörün birlikte
iletimde olması mümkün değildir. Herhangi birisinin tabanına bir akım uygulandığında,
diğerinin tabanında 0.6 V kadar bir negatif gerilim oluşur, bu transistör iletime giremez ve eğer
iletimde ise hızlı bir şekilde kesime girer. Bu mükemmel bir kilitlemedir. Yaklaşık 1 kHz’nin
üzerindeki orta ve yüksek frekanslarda giriş sinyali ve sürme kaynağı iki yönlü veya çift
kutuplu olmalıdır.
Transistörlü Örnek bir Devre
Bu devrede, bir diyot köprüsü ile doğrultulan tek fazlı sinüsoidal şebeke gerilimi, transistör
yardımı ile belli açılarda kıyılmaktadır. Transistör, bütün yarım dalgalarda ve α-π aralıklarında
iletimde kalır ve sinüsoidal bir akım geçirir. α açıları değiştirilerek yükün gücü ayarlanabilir
yani güç kontrolü yapılabilir. Transistör girişine α-π aralıklarında yeterli bir pozitif ve bunların
dışındaki aralıklarda yeterli bir negatif akım uygulanır. Aşırı doyum koruması olduğundan,
transistör tabanı ihtiyacı olan akımı çeker ve gelen akımın fazlası diyot üzerinden geçer.
Transistör girişine verilen akım, en kötü halde bile yeterli değerde olmalıdır. Bu devre, tam dalga
kontrollü bir doğrultucu olup, aslında doğal komütasyonlu bir devredir.
16
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
3. İZOLE KAPILI ALAN ETKİLİ TRANSİSTÖR (IGFET, MOSFET)
Yapı, Sembol ve İletim Karakteristiği
Sembol
İletim Karakteristiği
Genel Özellikler
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
MOSFET daima doyumda kullanılmalıdır.
Giriş olduğu sürece çıkış vardır.
Giriş gerilim, çıkış akımdır.
Kazanç sonsuz kabul edilir.
En hızlı yarı iletken elemandır. İletime giriş 50-60 ns ve iletimden çıkış 150-200 ns
civarındadır. Anahtarlama kaybı en düşük olan elemandır.
İletim gerilim düşümü veya iletim güç kaybı en yüksek olan elemandır.
Tek dezavantajı, sıcaklıkla artan yüksek değerli bir iç dirence sahip olmasıdır.
Düşük güç ve yüksek frekanslarda kullanılır.
Giriş akımı nanoamperler mertebesindedir. Ancak, gerilim sinyali ilk verildiğinde
yüksek değerli bir şarj akımı çeker. Bu akımın karşılanmasına dikkat edilmelidir. Aksi
halde hız düşer.
Kapı dayanma gerilimi ± 20 V’tur. Gerçekte, uygulanan gerilim ± 18 V’u
geçmemelidir. Uygulamalarda, genellikle sürme gerilimi olarak ± 15 V kullanılmaktadır.
17
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
MOSFET’lerin Uygulama Alanları
MOSFET’ler, normal olarak, düşük güç ve yüksek frekanslarda, zorlamalı komütasyonlu olan
inverter ve DC kıyıcı devrelerinde kullanılmaktadır.
Bu elemanlarda fiyat gerilime çok bağlıdır. Düşük gerilimli MOSFET’lerin fiyatları oldukça
düşük olduğundan, düşük gerilimli uygulamalarda MOSFET’ler yaygın olarak
kullanılmaktadır. Buna örnek olarak, düşük gerilimli akümülatör-inverter grubuna sahip olan
kesintisiz güç kaynakları ile düşük gerilimli DC kıyıcı devresine sahip olan anahtarlamalı güç
kaynakları gösterilebilir.
Ayrıca, MOSFET’ler çalışma frekansı en yüksek olan elemanlardır. Yüksek frekans ve düşük
güçlü uygulamalarda da MOSFET’ler yaygın olarak kullanılmaktadır. Buna örnek olarak,
düşük güçlü kesintisiz ve anahtarlamalı güç kaynakları ile endüksiyonla ısıtma ve elektronik
balastlar gösterilebilir.
Ancak, BJT ve MOSFET’lerin uygulama alanları sürekli olarak daralmakta, bunların yerini hız
ve güçleri sürekli olarak gelişen IGBT elemanları almaktadır.
Örnek bir MOSFET Sürme Devresi
MOSFET ve IGBT elemanlarının sürülmesinde, iki yönlü veya çift kutuplu giriş sinyali ve iki
yönlü sürme kaynağına gerek yoktur. BJT elemanlarının sürülmesinde ise, yaklaşık olarak 1
kHz’nin altındaki düşük frekanslarda iki yönlü giriş sinyali ve iki yönlü sürme kaynağına
gerek yoktur. Bu şartlar altında, bütün bu elemanların sürülmesinde burada verilen devre
kullanılabilir. Ancak, BJT için zenerlere gerek yoktur. MOSFET ve IGBT için ise zenerler her
zaman gereklidir.
Bu sürme devresinde, giriş sinyali uygulandığında, T1, T2 ve T3 ardışık olarak iletime girer ve
G ucu +15 V’a çekilir. Giriş sinyali kesildiğinde, Rn ile gösterilen direnç üzerinden T4 iletime
girerek G ucunu 0’a çeker, yani MOSFET’in parasitik giriş kondansatörü CGS’i deşarj eder. Hızlı
transistörler seçildiğinde, sürme devresi oldukça hızlı ve emniyetlidir.
18
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
3. DİĞER YARI İLETKEN GÜÇ ELEMANLARI
TRİSTÖR TETROT
4 uçlu özel bir tristördür. Her iki kapıdan da
tetiklenebilir. Tetiklemede, iG1 ve iG2 akımları
ayrı ayrı kullanılabilir.
FOTO TRİSTÖR
Normal ortamda gözle görülen ışıkla iletime giren iki, üç
veya dört uçlu özel bir tristördür. Işıkla veya bir kapı
akımıyla kontrol edilebilir.
TRİYAK (İKİ YÖNLÜ TRİSTÖR TRİYOT)
Triyak ters-paralel bağlı iki tristöre eşdeğerdir. İki yönlü tristör de denir. Tetikleme ve
montaj kolaylığı sağlar. Sadece AC uygulamalarda kullanılmak üzere üretilmektedir. AC
kıyıcılarda gücün yettiği yere kadar bir triyak kullanılır. Aksi halde tristörlere geçilir. Yaklaşık
100-150 A’lere kadar triyaklar üretilmektedir.
Triyak I- ve III- belgelerinde düşük akımlarla kolay tetiklenir. III+ belgesinde tetikleme çok zor
veya imkansızdır. Uygulamalarda, I+ ve III- bölgelerinde çalışma kolaydır.
19
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
KAPI SÖNÜMLÜ TRİSTÖR (GTO)
•
•
•
•
•
•
Kısa süreli iG1 ile tetiklenir ve iG2 ile söndürülür.
iG1 çok küçük değerlerdedir (normal trsitörlerdeki gibi).
iG2 çok büyük değerlerdedir ( ¼ ana akım kadar).
Hızlı özel bir tristördür.
Düşük frekans ve yüksek güçlerde kullanılır.
Söndürme sinyalinin büyüklüğünden dolayı tetikleme
devreleri karmaşık ve pahalıdır.
MOS KONTROLLÜ TRİSTÖR (MCT)
MOSFET ve tristör karışımı, oldukça hızlı, gerilim kontrollü, karma
bir elemandır. MOSFET’in ideal sürme özelliği ile tristörün ideal
iletim karakteristiğini birlikte taşır. Negatif gerilim sinyali ile
tetiklenir. Pozitif gerilim sinyali ile söner. Yine iletimde ve kesimde
kilitlenme özelliği vardır. Şu anda en üstün eleman görünümündedir.
Fakat henüz gelişimi tamamlanamamıştır. Halen ticari olarak
üretilememektedir.
İZOLE KAPILI BİPOLAR TRANSİSTÖR (IGBT)
Sembol
u-i karakteristiği
UCET : Çıkış Eşik Gerilimi
UGET : Kapı Eşik Gerilimi
Genellikle, UCET > 2 V ve
UGET : 4 V civarındadır.
MOSFET’in MOS kontrolü ve BJT’nin ana akım karakteristiğini birlikte taşıyan karma
bir elemandır. Tek dezavantajı çıkış eşik geriliminin oluşudur. Ancak iç direnci çok küçük
olduğundan, yüksek akımlarda yine avantajlı duruma geçer. Günümüzde IGBT ortanın biraz
üzerindeki güç ve frekanslarda, en yaygın olarak kullanılan elemanlardır.
20
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
4. GÜÇ ELEMANLARININ KARŞILAŞTIRILMASI
TEMEL Yİ GÜÇ ELEMANLARININ İYİDEN KÖTÜYE DOĞRU SIRALAMASI
Sürme Kolaylığı
MOSFET
IGBT
GTO
BJT
Sönme Kolaylığı
MOSFET
IGBT
BJT
GTO
BJT
GTO
IGBT
MOSFET
(1.0 V)
(2.0 V)
(3.0 V)
(5.0V)
MOSFET
IGBT
GTO
BJT
GTO
IGBT
BJT
MOSFET
(3000 A)
(800 A)
(600 A)
(100 A)
GTO
IGBT
BJT
MOSFET
(3000 V)
(1500 V)
(1200 V)
(1000 V)
GTO
IGBT
BJT
MOSFET
(10 MW)
(500 kW)
(100 kW)
(10 kW)
MOSFET
IGBT
BJT
GTO
(100 kHz)
(20 kHz)
(10 kHz)
(1 kHz)
BJT
GTO
IGBT
MOSFET
İletim Gerilim Düşümü
Anahtarlama Güç Kaybı
Akım Dayanımı
Gerilim Dayanımı
Devre Gücü
Çalışma Frekansı
Fiyat
Not : 1. Güç BJT’leri genellikle Darlington yapıda ve npn türündedir.
2. Burada GTO tristör ailesini temsil etmektedir.
21
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
KONU İLE İLGİLİ ÇÖZÜLMÜŞ PROBLEMLER
Problem 1
Bir tristör uT = 1000 Sin 62800 t (V) şeklinde bir gerilime maruz kalacaktır. Bu tristörün,
kendiliğinden iletime geçmemesi için,
a) UB0 değeri ne olmalıdır?
du
⏐krt değeri ne olmalıdır ?
b)
dt
Çözüm
a) UTmax < UB0 olmalıdır.
⇒ UB0 > UTmax = 1000 V
du T
du
⏐krt olmalıdır.
) max <
dt
dt
u T = U T max sin ωt
b) (
du T
= ωU T max cos ωt
dt
⎛ du T ⎞
= ωU T max
⎜
⎟
⎝ dt ⎠ max
= 62800.1000 V/s
= 62.8 V/μs
⇒
du
⏐krt > 62,8 V/μs olmalıdır.
dt
Problem 2
Kritik gerilim yükselme hızı 125 V / μs olan bir tristöre, genliği 2000 V olan bir sinüsoidal
gerilim uygulanmaktadır. Frekans gittikçe yükseltilirse, bu frekans hangi değere ulaştığında
tristör kendiliğinden iletime geçer?
Çözüm
du T
du
⏐max =
⏐krt
dt
dt
uT = Um Sinωt
du T
= Um .ω.Cosωt
dt
du T
⏐max = Um . ω
dt
125.106 V/s = 2000. 2.π.f ⇒ f ≅ 10 kHz bulunur.
22
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Problem 3
t=0 anında yeni iletimden çıkan
ve şekildeki gibi bir gerilime
maruz kalan bir tristörün
kendiliğinden iletime geçmemesi
için, bu tristörün,
du
⏐krt ve tq değerleri
dt
ne olmalıdır?
UB0 ,
Çözüm
UB0 > UTmax
Şekilden,
UB0 > 3000 V olmalıdır.
tq ≤ t N
Şekilden,
t q ≤ 20 μs olmalıdır.
20 μs ≤ t ≤ 50 μs için,
uT =
du
du
⏐krt > ( T ) ⏐max,
dt
dt
olmalıdır.
3000
( t – 20 )
30
du
⏐krt > 100 V / μs
dt
Problem 4
10 Ω’luk bir yükü 50 V’luk bir DC kaynak ile beslemek üzere, şekilde verilen bir npn tipi
transistörün emiter montajı kullanılmıştır. Transistörün akım kazancı 200 olduğuna göre,
a) Taban devresi direnci 5 kΩ iken, yük
akımı ve gerilimi ne olur ?
b) Yükte harcanan gücün 160 W
olabilmesi için, taban devresi direnci
kaç kΩ’ a ayarlanmalıdır ?
Çözüm
23
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
a) IC = IL
U − U BE
50 − 0
IB = L
=
RB
5.10 − 3
I B = 10mA
IC = 10 . 10-3 . 200 = 2A = IL
UY = RL . IL = 10 . 2 = 20 V
PROF. DR. HACI BODUR
b)
PL = 160 W
PL = RL . IL2 ⇒ 160 = 10 . IL2
IB = 4 / 200 ⇒ IB = 20 mA
U − U BE
50 − 0
=
RB = L
IB
20.10 − 3
RB = 2,5 kΩ bulunur.
⇒ IL = 4 A = IC
Problem 5
Şekildeki devrede,
a) İletime geçme esnasında ani taban
akımı değerini hesaplayınız ( iD3=0 ).
b) İletim
durumunda,
transistörün
gerilim düşümü ile taban akımını ve
D3 diyodunun akımını bulunuz.
c) İletimden çıkma esnasında, ters taban
akımının ani değerini bulunuz.
d) Taban akımı
olarak çiziniz.
değişimini yaklaşık
UD1,2,3 ≅ 0,6 V
UBE = 1 V
βdc = 100
UEB ≅ -1 V
Çözüm
a) İletime geçme esnasında, iB =?
İD3 = 0,
i g = i 'B = i100 + i B
UB = UBE
UA = UD1 + UB
= 0,6 + 1
= 1,6 V
U g − U A 15 − 1,6
i g = i 'B =
=
= 500mA
26,8
26,8
i100 = UB / 100 = 1 / 100 = 10 mA
i B = i 'B − i100 = 500 – 10 = 490 mA bulunur.
b) İletim durumunda, UCE , iB , iD3 = ?
İletimden çıkmada :
24
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
iC = uŞ / 22
iC = 2 . 220 . Sinωt / 22
iC = 10 2 . Sinωt A
i
10 2Sinωt
= 100 2 Sinωt (mA)
iB = c =
β dc
100
i100 = 10 mA
iB’ = 2 . 100 . Sinωt + 10 (mA)
ig = 500 mA
iD3 = ig - iB’ = 490 - 2 . 100 . Sinωt (mA)
bulunur.
UD1 + UBE = UD3 + UCE
UCE = 1 V bulunur.
c) İletimden çıkma esnasında, iB = ?
UB = UBE = 1 V
UA = - UD2 + UBE
= -0,6+1
= 0,4 V
U g − U A − 15 − 0,4
=
= −575mA
ig =
26,8
26,8
U
i100 = BE = 10 mA
100
d)
i g = i 'B = −i100 + i B
i B = i g + i100 =575+19
iB = 585 mA bulunur.
Problem 6
Peryodik bir çalışmada, kesim
dışındaki çalışma durumları için,
bir
transistörün
uçlarındaki
gerilim ve içinden geçen akımın
değişimleri şekilde verilmiştir.
Bu transistör f P = 10 kHz ’lik bir
frekansta anahtarlandığına göre,
a) Transistörün verilen her bir
aralıktaki enerji kaybını
hesaplayınız.
b) Transistörün toplam enerji ve
güç kaybını hesaplayınız.
25
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
Çözüm
1. bölge için,
PROF. DR. HACI BODUR
⎛ 50 ⎞
t = 10. 106 t A
i1 = ⎜
−6 ⎟
5
.
10
⎝
⎠
4μs
(
)
W1 = ∫ 250 − 62.10 − 6 t .10.10 6 tdt = 6,6773 mj
⎛ 250 − 2 ⎞
6
t
+
250
=
250
–
62.10
u1 = − ⎜
t
V
⎟
−6
0
⎝ 4.10 ⎠
...
PT= 206,13 W
26
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
5. AC-DC DÖNÜŞTÜRÜCÜLER / DOĞRULTUCULAR
GİRİŞ
AC-DC Dönüştürücülerin Genel Özellikleri
Endüstride en eski ve en yaygın olarak
kullanılan dönüştürücü türüdür.
Temel Özellikleri
•
•
•
U : AC girişteki efektif faz gerilimi
f : Frekans
q : Faz sayısı
Id , Iy : DC çıkış veya yük akımı (ortalama değer)
Udα : DC çıkış gerilimi, Udα = f(α)
: Maksimum DC çıkış gerilimi,
Ud
α = 0 ⇒ Udα = Ud
α : Faz Kesme veya Faz Kontrol açısı
: Gecikme Açısı veya Tetikleme Gecikmesi
D : Serbest Geçiş (Komütasyon, Söndürme) diyodu
U1 = U2 = U3 = Uf : Efektif Faz Gerilimi
U12 = U21 = U13 = Uh : Efektif Fazlar Arası Gerilim
Ufm : Faz Gerilimi Maksimum Değeri
Uhm : Hat (Fazlar Arası) Gerilimi Maksimum Değeri
•
•
•
Kontrol lineer değildir.
Faz Kontrol Yöntemi ile
kontrol sağlanır.
Çıkış gerilimi ortalama olarak
kontrol edilir.
Şebeke tarafında yüksek değerli
harmonikler, yük tarafında
yüksek değerli dalgalanmalar
oluşur.
Doğal komütasyonludur.
Diyot ve/veya tristörler ile
gerçekleştirilir.
Başlıca Uygulama Alanları
•
•
•
•
•
•
•
DC motor kontrolu
Akümülatör şarjı
Galvanoteknikle kaplama
DC motor alan besleme
DC kaynak makinaları
DC regülatörler
DC gerilim kaynakları
AC-DC Dönüştürücülerin Genel Olarak Sınıflandırılması
27
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
AC-DC Dönüştürücülerin Kontrol Açısından Karşılaştırılması
Kontrolsüz Doğrultucu
Tam Kontrollü Dönüştürücü
• Diyotlarla
gerçekleştirilir
• Sadece doğrultucu
modunda çalışır.
• Genellikle serbest
geçiş diyodu yoktur.
• α=0
Udα =Ud = Sabit
• Tristörlerle gerçekleştirilir.
• Hem doğrultucu hem de
inverter modunda çalışır.
• Serbest geçiş diyodu yoktur.
Konursa inverter modunda
çalışmaz.
• 0<α<π
+Ud > Udα > -Ud
Yarı Kontrollü Doğrultucu
• Tristör ve diyotlarla
gerçekleştirilir.
• Sadece doğrultucu
modunda çalışır.
• Genellikle serbest geçiş
diyodu vardır.
• 0<α<π
+Ud > Udα > 0
AC-DC Dönüştürücülerin Dalga Sayısı Açısından Karşılaştırılması
Yarım Dalga Doğrultucuda,
şebekenin nötrüne (N) göre bir
çıkış gerilimi üretilir yani
çıkıştaki DC hatların birisi
şebekenin N ucuna bağlıdır.
Tam Dalga Doğrultucu, Pozitif
(+) ve Negatif (-) Yarım Dalga
Doğrultucuların
toplamına
eşdeğerdir. Çıkışta N ucu
kullanılmaz.
Ancak,
çıkış
gerilimi potansiyel olarak N
ucunu ortalar.
Temel AC-DC Dönüştürücülerin Temel Devre Şemaları
28
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Tek Fazlı Dönüştürücünün 2 Fazlı Eşdeğeri
Tek Fazlı Sistem
q=1
s
Uf
Id
Rk
Lk
İki Fazlı Eşdeğeri
q=2
s
U1= U2=Uf/2
Id
Rk/2
Lk/2
Endüstride 2 Fazlı bir AC Şebeke sistemi mevcut değildir. Ancak, sekonderi orta uçlu olan tek
fazlı bir transformatörde, orta uca göre sekonder uçlarında 180° faz farklı 2 fazlı bir AC gerilim
oluşmaktadır. Endüstriyel olarak 2 fazlı bir gerilim bu şekilde üretilebilir. Ayrıca, teorik
analizlerde, yukarıda görüldüğü gibi, tek fazlı bir gerilimin 2 fazlı eşdeğeri kullanılabilmektedir.
DOĞRULTUCULARIN
ENDÜSTRİYEL UYGULAMA DEVRELERİ
Endüstriyel uygulamalarda kullanılan doğrultucuların gerçek eşdeğer devreleri aşağıdaki gibi
sıralanabilir.
Kontrolsüz bir doğrultucu ile tek yönlü (kutuplu, DC) bir kondansatör grubu, DC-DC veya DCAC dönüştürücülerin beslenmesinde, genellikle ucuz ve basit olması nedeniyle endüstride
yaygın olarak kullanılmaktadır. Burada, RK ve LK, AC şebekenin eşdeğer direnç ve
endüktansıdır. Etkisinin azalması nedeniyle analizde öncelikle RK direnci ihmal edilir.
Bu devrede, şebeke geriliminin maksimum olduğu anların yakınlarında, şebekeden aşırı akım
darbeleri çekilir. Şebeke geriliminde ciddi bozulmalar oluşur. Devre çalışmaya ilk
başladığında, kondansatörün şarjı için ilk tedbirler alınır. Şebeke bozulmalarına karşı uluslar
arası düzeyde sınırlamalar başladığından, bu devrenin kullanılmasında azalma olması
beklenmektedir.
29
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Kontrollü bir doğrultucu ile regüleli bir DC gerilim elde edilmesinde, genellikle doğrultucu
çıkışına seri bir bobin (şok bobini, akım düzeltme reaktörü) bağlanır. Kontrolsüz doğrultucuda
da bu bobin bağlanabilir. Bu durumda yapılan analizde hem RK hem de LK elemanları ihmal
edilebilir ve doğrultucunun yükü bir akım kaynağı olarak alınabilir.
Bu devrede, AC şebekedeki bozulmalar çok daha azdır. Doğrultucunun kontrolü ile devrenin ilk
çalışması başlatılabilir.
Doğrultucu çıkışında doğrudan bir DC yükün bulunması durumu, genellikle kontrollü bir
doğrultucu ile bir DC motorun kontrolü uygulamasıdır. Motorun endüktansından dolayı, burada
da id = Id yani doğrultucunun bir akım kaynağı ile yüklendiği kabul edilebilir.
Sonuç olarak, doğrultucuların sabit olduğu kabul edilen bir akımla yüklenmesi durumu,
endüstriyel uygulamalarda daha çok karşılaşılan bir durumdur. Doğrultucular ile doğrudan omik
bir yükün beslenmesinin pratik bir yanı yoktur. Ancak, son yıllarda modern olarak
gerçekleştirilen güç faktörünü düzeltme yöntemlerinde, yük eşdeğer bir direnç olarak kabul
edilmektedir.
O halde, doğrultucuların incelenmesinde, kolay anlaşılma açısından yükün omik olduğu, gerçek
devrelere yakınlık açısından yükün akım kaynağı olduğu kabul edilmektedir. Teorik olarak, yük
endüktansı sonsuz olduğunda akım tam olarak sabittir. Gerçekte, frekans ve endüktans
değerlerine bağlı olarak akımda bir dalgalanma mevcuttur. Motor kontrolünde olduğu gibi,
akımdaki dalgalanmanın düşük olduğu durumlarda, yük bir akım kaynağı olarak kabul edilebilir.
30
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
OMİK YÜKLÜ
YARIM DALGA KONROLSÜZ DOĞRULTUCULAR
Devre Şeması ve Temel Dalga Şekilleri
Omik Yüklü
Omik Yüklü
2 Fazlı Yarım Dalga Kontrolsüz Doğrultucu 3 Fazlı Yarım Dalga Kontrolsüz Doğrultucu
31
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Çıkış Gerilimi İfadeleri
Omik Yüklü
Omik Yüklü
2 Fazlı Yarım Dalga Kontrolsüz Doğrultucu 3 Fazlı Yarım Dalga Kontrolsüz Doğrultucu
π 3
π
1
1
Ud =
U Cos (ωt )d (ωt )
U d = ∫ U fm Sin(ωt )d (ωt )
2π −π∫ 3 fm
π 0
3
1
π
= U fm − Cos (ωt )
3
π 3
0
π
U fm Sin(ωt ) −π 3
=
2π
1
0
= U fm Cos (ωt ) π
⎡ 3 ⎛
π
3
3 ⎞⎤
⎟⎥
− ⎜⎜ −
U fm ⎢
=
⎟
1
2π
⎢⎣ 2 ⎝ 2 ⎠⎥⎦
= U fm [1 − (− 1)]
π
Ud =
2
π
U fm =
2
π
Ud =
2U f
3 3
3 3
U fm =
2U f
2π
2π
Kısa Açıklama
•
•
•
•
•
•
•
Diyotlar uçlarına pozitif gerilim uygulandığı sürece iletimde kalırlar, bunun dışında
kesimdedirler ve negatif gerilim ile tutulurlar.
Aynı anda sadece bir diyot iletimde kalır.
Diyotlar yük akımını eşit aralıkla ve sırayla geçirirler.
İletimde olan diyodun bağlı olduğu faz gerilimi, çıkıştaki yük gerilimini oluşturur.
AC şebekeden DC akım çekilir ve şebekede ciddi bozulmalar oluşur.
Yük akımı ve bir diyodun akımı kolayca hesaplanabilir.
Diyotlar fazlar arası gerilime maruz kalır.
32
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
OMİK-ENDÜKTİF YÜKLÜ
YARIM DALGA KONROLSÜZ DOĞRULTUCULAR
Devre Şeması ve Temel Dalga Şekilleri
Akım Kaynağı ile Yüklü
Akım Kaynağı ile Yüklü
2 Fazlı Yarım Dalga Kontrolsüz Doğrultucu 3 Fazlı Yarım Dalga Kontrolsüz Doğrultucu
Çıkış Gerilimi İfadeleri ve Kısa Açıklama
•
Çıkış gerilimi ifadeleri, omik yüklü yarım dalga kontrolsüz doğrultucular ile aynıdır.
2 faz için : U d =
•
2
π
U fm =
2
π
2U f
3 faz için : U d =
3 3
3 3
U fm =
2U f
2π
2π
Bu doğrultucuların özellikleri, omik yüklü doğrultucularda sıralanan özellikler ile aynıdır.
33
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
TAM DALGA KONROLSÜZ DOĞRULTUCU ÖRNEKLERİ
Devre Şeması ve Temel Dalga Şekilleri
Omik Yüklü
2 Fazlı Tam Dalga Kontrolsüz Doğrultucu
Akım Kaynağı ile Yüklü
2 Fazlı Tam Dalga Kontrolsüz Doğrultucu
34
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Çıkış Gerilimi İfadesi
Ud =
1
π
U
π∫
hm
Sin(ωt )d (ωt ) =
0
Ud =
2
π
U hm =
2
π
2U h = 2
1
π
2
π
U hm − Cos (ωt )
π
0
=
1
π
1
0
U hm Cos (ωt ) π = U hm [1 − (− 1)]
π
2U f
Kısa Açıklama
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
İki fazlı tam dalga kontrolsüz doğrultucularda, yükün omik ve akım kaynağı olması
durumlarında, çıkış gerilimi aynıdır.
Tam dalga doğrultucunun çıkış gerilimi, eşdeğer olan yarım dalga doğrultucu çıkış
geriliminin 2 katıdır.
Üst ve alt sıradaki diyotlar, yük akımını eşit aralıklarla ve sırayla geçirirler.
Aynı anda, üst ve alt sıradan sadece birer diyot iletimde kalır.
Aynı anda, üst ve alt sıradan aynı faz koluna ait diyotlar iletimde olamaz.
Çıkış gerilimi, iletimde olan üst ve alt sıradaki diyotlara göre, fazlar arası gerilimler de
oluşmaktadır.
AC şebekeden çekilen faz akımının DC bileşeni yoktur.
AC şebeke açısından, yarım dalgaya göre tam dalga doğrultucular çok daha iyidir.
Omik yüklü tam dalga doğrultucunun şebekeden çektiği akımda, faz farkı ve harmonik
yoktur.
Akım kaynaklı yükte ise, şebekeden çekilen akımda, faz farkı yoktur, ancak harmonik
vardır.
AC şebekeden çekilen faz ve hat akımları birbirine eşittir.
Diyotlar fazlar arası gerilime maruz kalır.
Omik yükte sinusoidal olan faz ve hat akımı efektif olarak,
I f = Ih = Uh R
Omik-endüktif yükte sinusoidal olmayan faz veya hat akımı efektif olarak,
I 2f =
1
π
1
I d (ωt ) = I
∫
π
π
2
d
2
d
π
ωt 0 =
0
1
π
I d2 π
⇒ I f = Id
şeklinde bulunur. Bu akımın Temel Bileşeni ve Toplam Harmonik Distorsiyonu, Fourier
analizi yapılarak,
I f1 =
2
π
2 I d ve THD=0,48
şeklinde bulunur.
NOT : 2 faz için yapılan bu analizin 3 faz için de yapılması önerilir.
35
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
YARIM DALGA KONROLLÜ DOĞRULTUCU ÖRNEKLERİ
Devre Şeması ve Temel Dalga Şekilleri
Omik Yüklü
2 Fazlı Yarım Dalga Kontrollü Doğrultucu
Akım Kaynağı ile Yüklü
2 Fazlı Yarım Dalga Kontrollü Doğrultucu
36
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Çıkış Gerilimi İfadeleri
Omik Yüklü
2 Fazlı Yarım Dalga Kontrollü Doğrultucu
π
1
U dα = ∫ U fm Sin(ωt )d (ωt )
π
α
1
=
U fm − Cos (ωt )
π
Akım Kaynağı ile Yüklü
2 Fazlı Yarım Dalga Kontrollü Doğrultucu
π +α
1
U dα =
∫ U fm Sin(ωt )d (ωt )
π
π
1
α
= U fm Cos (ωt ) π
U dα =
=
1
π
1
π
U fm [Cosα − (− 1)]
=
U fm (1 + Cosα )
1
π
=
2U f (1 + Cosα )
U dα =
1
= U d (1 + Cosα )
2
=
U fm − Cos (ωt )
π
=
π
=
1
=
α
α
1
π
1
π
1
π
2
π
π +α
α
U fm Cos (ωt ) π +α
α
U fm [Cosα − Cos (π + α )]
U fm [Cosα + Cosα ]
U fm Cosα
2
π
2U f Cosα = U d Cosα
Kısa Açıklama
•
Genel olarak yarım dalga doğrultucu özellikleri mevcuttur.
•
Omik yükte, α anında iletime giren bir tristör π anında akımın sıfır olmasıyla kesime
girer. Elemanların iletiminde ve çıkış geriliminde boşluklar oluşur.
•
Omik-endüktif yükte, α anında tetiklenerek iletime giren bir tristör, akımın sürekli
oluşundan dolayı, bir sonraki tristör α+π anında tetikleninceye kadar iletimde kalır.
Elemanların iletiminde ve çıkış geriliminde boşluklar oluşmaz.
•
Yine AC şebekeden bir DC akım çekilir. Ayrıca α açısına bağlı olarak, akım gerilime göre
geri kalır.
•
Prensip olarak, faz kesme kontrolu, ardışık fazların kesişim noktaları (fazlar arası
gerilimlerin sıfır noktaları) sıfır (α=0) olmak üzere 0-π aralığında yapılır. Sıfır noktaları,
2 fazlı sistemlerde wt ekseni üzerinde, 3 fazlı sistemlerde ise bu eksenin dışında oluşur.
2 fazlı yarım dalga kontrollü doğrultucu olan bu devreler ve dalga şekilleri, kolayca 2 fazlı tam
dalga kontrollü doğrultucu için düzenlenebilir. Bu durumda, İletimde olan elemanlara T2 ve T4
tristörleri eklenir. T1 ile T2 ve T3 ile T4 aynı sinyallerle ve eşzamanlı olarak tetiklenir. Çıkış
gerilimi U12 ve U21 fazlar arası gerilimleri ile oluşur. Faz akımları çift yönlü hale gelir ve bu
akımlarda DC bileşen oluşmaz. Ancak, α açısına bağlı olarak, akımda faz farkı ve harmonikler
oluşur. Akım kaynaklı yük için, temel bileşenin faz kayma açısı, α açısına eşit olur.
NOT: Yarım dalga için yapılan bu analizin tam dalga için de yapılması önerilir.
Ayrıca, 2 faz için yapılan bu analizin 3 faz için de benzer şekilde yapılması yararlı olur.
37
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
GENELLEŞTİRİLMİŞ İNCELEMELER
Genel Devre Şeması ve Açıklamalar
Üst ve alt sıradan herhangi birisi
kullanılırsa
Yarım
Dalga
Doğrultucu, her ikisini de kullanılırsa
Tam Dalga Doğrultucu elde edilir.
Serbest geçiş diyodu, yük akımının
sürekliliğini sağlar. Çıkış gerilimi
Udα çok dalgalı da olsa, büyük
değerli bir yük endüktansından
dolayı genellikle çıkış akımı Id
sürekli ve sabit kabul edilir.
Serbest geçiş diyodu olmadığında, sürekli kabul edilen DC yük akımını, hem üst hem de alt
sırada elemanlar eşit aralıklarla ve sırayla geçirilirler. Üst ve alt sıradan aynı anda sadece birer
eleman iletimde kalabilir. Hem üst hem de alt sırada, akımın bir elemandan diğerine aktarılışına
Komütasyon Olayı denir ve bu aktarma işlemlerinin başlangıç ya da sıfır noktaları ardışık faz
gerilimlerinin kesişim noktalarıdır. Diyotlu devrelerde sıfır noktalarında kendiliğinden oluşan
bu aktarım olayları, tristörlü devrelerde tetikleme sinyalleriyle geciktirilebilir. Bu α gecikme
açıları 0 - π aralığında ayarlanabilir. Bu açıya Tetikleme Gecikmesi veya Gecikme Açısı denir.
•
Endüstriyel uygulamalar açısından, doğrultucuların akım kaynağı ile yüklenmesi
durumu, daha gerçekçi ve anlamlıdır.
•
Faz kontrolü, genellikle fazlar arası gerilimlerin sıfır (α=0) noktaları referans alınarak
yapılır ve kontrol aralığı 0-π şeklindedir.
•
Güç elemanları hem üst hem de alt sırada, akımı eşit aralıklarla ve sırayla geçirir. Sürekli
akım için iletim aralığı 2 fazda π ve 3 fazda 2π/3 kadardır.
•
Çıkış gerilimi iletimde olan elemanlara göre, yarım dalga doğrultucularda faz gerilimleri
ve tam dalga doğrultucularda fazlar arası gerilimler ile oluşur. Tam dalgada çıkış gerilimi
eşdeğer yarım dalgadakinin 2 katıdır.
•
AC şebekeden çekilen faz akımı, yarım dalga doğrultucularda DC şekilde ve ayrıca
kontrollü olanlarda gerilime göre geridir. Tam dalga doğrultucularda, faz akımında DC
bileşen yoktur fakat harmonikler bulunabilir. Kontrolsüz olanlarda faz farkı oluşmaz,
ancak kontrollü olanlarda kontrol açısına bağlı bir faz farkı oluşur.
•
AC şebeke açısından, tam dalga doğrultucuların kullanılması, mümkün ise doğrultucunun
kontrolsüz olması, mümkün değil ise kontrol bandının olabildiğince sıfıra yakın olması
önerilmektedir.
38
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
•
PROF. DR. HACI BODUR
Doğrultucularda çıkış akımı, daima güç elemanlarının iletim yönünde ve tek yönlüdür.
Gerilim ise, sadece tam kontrollü olan doğrultucularda 2 yönlü olup, diğerlerinde tek
yönlüdür.
Çıkış Gerilimi İfadeleri
Bütün kontrolsüz doğrultucularda,
U d = U dm = s
q
π
2U f Sin
π
q
Bütün yarı kontrollü doğrultucular ile omik yüklü tam kontrollü doğrultucularda,
1
U dα = U d (1 + Cosα )
2
U dα = U d Cosα
1
U dα =
U d 1 + Cos (α + 30 ° )
3
[
2 faz için
3 faz ve 0 ° ⟨α ⟨30 ° için
]
3 faz ve 30° ⟨ α⟨150° için
Akım kaynağı ile yüklü bütün tam kontrollü doğrultucularda,
U dα = U d Cosα
Çıkış Gerilimi Değişimleri
Enerji
⎯→ DC yük ⇒ Doğrultucu Modu
AC şebeke ⎯⎯
Enerji
AC şebeke ←⎯⎯⎯ DC yük ⇒ İnverter Modu
39
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Çalışma Modları
Doğrultucularda çıkış akımı, daima tek yönlüdür. Bu yön pozitif kabul edilir ve güç
elemanlarının iletim yönüdür.
Çıkış gerilimi ise, sadece omik endüktif yüklü tam kontrollü doğrultucularda, pozitif ve negatif
olmak üzere iki yönlü veya iki bölgeli olabilmektedir.
Çıkış gerilimi pozitif olduğunda, güç pozitif olur, enerji akışı AC şebekeden DC yüke doğrudur.
Bu çalışmaya Doğrultucu Modu denilmektedir.
Çıkış geirlimi negatif olduğunda ise, enerji akışı DC yükten AC şebekeye doğrudur. Bu
çalışmaya ise İnverter Modu denilir.
Doğrultucu modunda AC gerilim DC’ye, inverter modunda ise DC gerilim AC’ye dönüştürülür.
Örnek olarak, doğrultucu modunda AC şebeke gerilimi doğrultularak bir aküyü şarj eder veya
DC motoru çalıştırır. İnverter modunda ise, akümülatör veya DC generatör uçlarındaki DC
gerilim AC gerilime dönüştürülerek, akü veya DC generatörün enerjisi AC şebekeye aktarılır.
İki yönlü enerji aktarımı sağlayabilen omik-endüktif yüklü tam kontrollü dönüştürücülerin
çıkış gerilimi ifadesi tekrar yazılarak, aşağıdaki yorum yapılabilir.
Ud = Udm = s
q
π
Udα = Ud Cosα
2 .U .Sin
π
q
α = 0 için, Udα = Ud = Udm
α < π/2 için, Udα > 0 ⇒ Doğrultucu Modu
α = π/2 için, Udα = 0
α > π/2 için, Udα < 0 ⇒ İnverter Modu
Bu yorumlar, güç elemanları ve devre ideal kabul edilerek yapılmaktadır. Doğal olarak gerçek
uygulamalarda, gerilim düşümleri ve güç kayıpları oluşur. Bir fikir vermesi açısından, aşağıda
bir doğrultucunun gerçek çıkış veya yük karakteristiği verilmiştir.
Şekilden görüldüğü gibi, gerçek
bir doğrultucuda, akıma bağlı
olarak farklı gerilim düşümleri
oluşmakta ve çıkış gerilimi
düşmekte, α = π/2 yakınlarında
doğrultucu modunda çalışan bir
dönüştürücü
yüklendiğinde
inverter moduna geçebilmektedir.
40
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Aktif Güç Dengesi
Devre kayıpları ihmal edildiğinde, bir doğrultucunun giriş ve çıkışındaki aktif güçler birbirine
eşit olur. AC şebeke tarafındaki aktif güç, akımın efektif temel bileşeni ve bu bileşenin kayma
faktörü ile hesaplanır. DC taraftaki aktif güç ise, ortalama gerilim ve akım ile bulunur.
Genel olarak omik-endüktif yüklü q faz sayılı tam dalga kontrollü bir doğrultucu için, temel
akımın kayma açısı ϕ1 faz kontrol açısı α’ya eşit olduğuna göre, güç dengesi,
Pg = Pç
q Uf If1 Cosα = Udα Id = Ud Id Cosα
şeklinde, ayrıca şebekeden çekilen reaktif güç,
Qg = q Uf If1 Sinα
olarak yazılabilir. Ayrıca, Görünen Güç ve Güç Faktörü ifadeleri,
S = q Uf If
GF = P / S
Her zaman geçerlidir.
Bir Elemanın Maruz Kaldığı Akım ve Gerilim
Genel olarak omik-endüktif yüklü q faz sayılı doğrultucularda, bir güç elemanından geçen
akımın dalga şekli ile bu akımın ortalama ve efektif değerleri aşağıda verilmiştir. Bu akım şekli
ve ifadeler, yarım ve tam dalga ile kontrolsüz ve kontrollü doğrultucularda değişmez.
ITAV =
41
1
Id
q
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
ITEF =
1
Id
q
Yarım ve tam dalga ile kontrolsüz ve kontrollü bütün doğrultucularda, bir güç elemanı daima
fazlar arası gerilime maruz kalır.
Genel olarak, bir elemanın peryodik pozitif ve negatif dayanma gerilimi, bu elemanın maruz
kaldığı maksimum gerilimden büyük olmalıdır.
UDRM, URRM > Uhm
> 2 Uh
>
2 2 Uf Sin
π
q
şeklindedir. Bu ifade, tek fazlı sistemler için,
UDRM, URRM >
2 UF
2 fazlı sistemler için,
UDRM, URRM > 2 2 UF
ve 3 fazlı sistemler için,
UDRM, URRM >
6 UF
olarak düzenlenebilir.
Faz gerilimi 220 V olan AC şebekeye bağlı tek fazlı doğrultucularda, en az 400 V’luk ve daha
emniyetli olması açısından 600 V’luk güç elemanları kullanılmaktadır. 3 fazlı doğrultucularda
ise, en az 600 V’luk ve daha emniyetli olması açısından 800 V’luk elemanlar kullanılmaktadır.
42
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
KONU İLE İLGİLİ ÇÖZÜLMÜŞ PROBLEMLER
Problem 1
Faz gerilimi 110 V olan 2 fazlı yarım dalga kontrolsüz bir doğrultucu ile 10 Ω’luk bir yük
beslenmektedir. Devre kayıplarını ihmal ederek,
a) Çıkış gerilim ve akımını bulunuz.
b) Bir diyottan geçen akımın ortalama ve efektif değerlerini hesaplayınız.
c) Efektif faz akımını bulunuz.
d) Bir diyodun maruz kaldığı maksimum gerilimi bulunuz.
Çözüm
a) Çıkış gerilimi,
Ud = s
q
π
2 .U f Sin
π
q
=1
2
π
2 .110.Sin
π
q
U d = 99,04 V
Çıkış akımı,
U d 99,04
=
R
10
I d = 9,9 A
Id =
b) Bir diyodun ortalama akımı,
I DEF
1
1
I d = .9,9
q
2
= 4,95 A
I DAV =
I DAV
I DEF
c) Efektif faz akımı, yarım dalga
doğrultucuda bir eleman akımının
efektif akımına eşit olduğundan,
Bir diyodun efektif akımı,
I f = I DEF = 7,78 A
π
I
2
DEF
1 2
I fm
4
1
1
= I fm =
2.11
2
2
= 7,78 A
2
I DEF
=
1
=
I 2fm Sin 2 (ωt )d (ωt )
∫
2π 0
d) Bir diyodun maruz kaldığı maksimum
gerilim,
1 2 1 + Cos 2(ωt )
=
I fm ∫
d (ωt )
2π
2
0
π
U D max = U hm = 2 2 .U f = 2 2 .110
U D max = 311,1 V
π
1 2
1
I fm (ωt ) + Sin 2(ωt )
4π
2
0
1 2
=
I fm [π + 0]
4π
=
bulunur.
43
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Problem 2
Faz gerilimi 220 V olan tek fazlı tam dalga (köprü) kontrolsüz bir doğrultucu ile 20 Ω’luk bir
alıcı beslenmektedir. Devre kayıplarını ihmal ederek,
a) Yükün gerilim ve akımını bulunuz.
b) Bir diyodun ortalama ve efektif akımlarını hesaplayınız.
c) Efektif faz akımını bulunuz.
d) Bir diyodun maruz kaldığı maksimum gerilimi bulunuz.
Çözüm
Tek fazlı sistem
Uf = 220 V
q=1
s=2
İki fazlı sistem
Uf = 110 V
q=2
s=2
a) Çıkış gerilimi,
Ud = s
q
π
2
220
π
2 .U f Sin = 2
2.
.Sin
π
q
π
2
q
U d = 198,1 V
Çıkış akımı,
2
I DEF
I DEF
b) Bir diyodun ortalama akımı,
I DEF
1
1
I d = .9,9
2
q
= 4,95 A
I DAV =
I DAV
c) Efektif faz akımı,
I fm
2 .11
=
2
2
I f = 11 A
If =
Bir diyodun efektif akımı,
π
2
I DEF
=
1 2
I fm [π + 0]
4π
1
= I 2fm
4
1
1
2.11
= I fm =
2
2
= 7,78 A
=
U
198,1
Id = d =
R
20
I d = 9,9 A
1
I 2fm Sin 2 (ωt )d (ωt )
∫
2π 0
d) Bir diyodun maruz kaldığı maksimum
gerilim,
1 2 1 + Cos 2(ωt )
I fm ∫
d (ωt )
2π
2
0
π
=
U D max = U hm = 2 2 .U f = 2 2 .110
U D max = 311,1 V
π
=
1 2
1
I fm (ωt ) + Sin 2(ωt )
4π
2
0
bulunur.
44
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Problem 3
Faz gerilimi 110 V olan iki fazlı yarım dalga kontrollü bir doğrultucu ile 9,9 A’lik bir DC motor
beslenmektedir. Yük α=60° iken beslendiğine göre, devrenin kayıpsız olduğunu ve yük akımının
sürekli ve düzgün olduğunu kabul ederek,
a) Yükün gerilimi bulunuz.
b) Bir tristörün ortalama ve efektif akımlarını hesaplayınız.
c) Efektif faz akımını bulunuz.
d) Şebekeden çekilen aktif ve reaktif güçler ile güç katsayısını bulunuz.
Çözüm
a) α=60° iken, yük gerilimi,
U dα = U d Cosα = s
q
π
2 .U f Sin
π
q
Cosα = 1
2
π
2 .110.Sin
π
2
Cos 60 °
U dα = 49,52 V
b) Bir tristörün ortalama akımı, α’ dan
bağımsız olarak,
1
1
I d = .9,9
q
2
= 4,95 A
I TAV =
I TAV
Bir tristörün efektif akımı,
I TEF =
I TEF
I TEF
1
Id
q
Şebekeden çekilen görünen güç,
1
=
9,9
2
=7 A
Sg = qU f I f = 2.110.7
Sg = 1540 VA
c) Efektif faz akımı, yarım dalga doğrultucuda
bir elemandan geçen akımının efektif
değerine eşit olacağına göre,
I f = I TEF = 7 A
Güçkatsayısı,
P
490,2
GK = g =
Sg 1540
GK = 0,318
d) Şebekeden çekilen aktif güç,
bulunur.
Pg = qU f I f 1Cosα = Pç = U dα I d = 49,52.9,9
Pg = 490,2 W
45
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Problem 4
Faz gerilimi 220 V olan tek fazlı tam dalga (köprü) kontrollü bir doğrultucu ile α=45° iken 10
A’lik bir alıcı beslenmektedir. Devre kayıplarını ihmal ederek,
a) Alıcının besleme gerilimi ile gücünü bulunuz.
b) Bir tristörün ortalama ve efektif akımlarını hesaplayınız.
c) Şebekeden çekilen efektif faz akımını bulunuz.
d) Faz akımının efektif temel bileşenini bulunuz.
e) Şebekeden çekilen reaktif gücü bulunuz.
f) Şebekeden çekilen görünen güç ile güç katsayısını bulunuz.
Çözüm
a) Alıcının besleme gerilimi,
q
π
π
2
U dα = U d Cosα = s
2 .U f Sin Cosα = 2
2 .110.Sin Cos 45 °
q
π
π
2
U dα = 140,1 V
Alıcının aktif gücü,
Pç = U dα I d = 140,1.10
Pç = 1401 W
b) Bir tristörün ortalama akımı,
1
1
I TAV = I d = .10
2
q
I TAV = 5 A
Bir tristörün efektif akımı,
1
I TEF =
Id
q
e) Şebekeden çekilen reaktif güç,
1
.10
2
= 7,07 A
Q g = q U f I f 1 Sinα = 2.110.9.Sin 45 °
I TEF =
I TEF
Q g = 1401 VAr
f) Şebekeden çekilen görünen güç,
c) Şebekeden çekilen efektif faz akımı,
I f = I h = I d = 10
Sg = q U f I f = 2.110.10
I f = 10 A
Sg = 2200 VA
d) Giriş ve çıkıştaki aktif güçlerin
eşitliğinden,
qU f I f 1Cosα = U dα I d = U d I d Cosα
Güçkatsayısı,
Pg 1401
GK =
=
S g 2200
2.110.I f 1Cos 45 ° = 1401
⇒ I f1 = 9 A
GK = 0,637
bulunur.
46
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
6. AC-AC DÖNÜŞTÜRÜCÜLER / AC KIYICILAR
GİRİŞ
AC-AC Dönüştürücülerin Genel Özellikleri
Endüstride çok yaygın olarak kullanılan
dönüştürücü türüdür.
Temel Özellikleri
•
•
Ug : AC girişteki efektif faz gerilimi
fg : Frekans
qg : Faz sayısı
•
Uç
: AC çıkıştaki efektif faz gerilimi, Uç = f(α)
Uçmax : Maksimum AC çıkış gerilimi,
α = 0 ⇒ Uç = Uçmax = Ug
α : Faz Kesme veya Faz Kontrol açısı
: Gecikme Açısı veya Tetikleme Gecikmesi
•
•
•
Kontrol lineer değildir.
Faz Kontrol Yöntemi ile kontrol
sağlanır.
Çıkış gerilimi sabit frekans altında
efektif olarak kontrol edilir.
Hem şebeke hem de yük tarafında
yüksek değerli harmonikler oluşur.
Doğal komütasyonludur.
Tristör
veya
triyaklar
ile
gerçekleştirilir.
Başlıca Uygulama Alanları
U1 = U2 = U3 = Uf
: Efektif Faz Gerilimi
U12 = U21 = U13 = Uh : Efektif Fazlar Arası Gerilim
Ufm : Faz Gerilimi Maksimum Değeri
Uhm : Hat (Fazlar Arası) Gerilimi Maksimum Değeri
AC-AC dönüştürücülerde, frekans ve faz sayısı sabit olmak
üzere, efektif çıkış geriliminin kontrolü yapıldığında, bu
dönüştürücüye AC Ayarlayıcı veya AC Kıyıcı
denilmektedir. Enerjinin kontrolü değil de sadece
anahtarlanması veya açılıp-kapatılması amaçlandığında ise,
devreye Statik AC Şalter denilmektedir.
•
•
•
•
•
Bütün omik yüklerde (fırın, ısıtıcı,
lamba gibi) güç kontrolü
Vantilatör karakteristikli küçük güçlü
AC motorlarda (fan, pompa,
kompresör gibi) hız kontrolü
Statik AC regülatörlerde gerilim
kontrolü
Statik AC şalterlerde devreyi açma
ve kapama
Statik reaktif güç kompanzasyonu
AC-AC Dönüştürücülerin Genel Olarak Sınıflandırılması
47
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
AC Kıyıcıların Temel Kontrol Özellikleri
Faz Kontrol Devreleri, temel olarak bir AC gerilimin Sıfır Noktaları ile Pozitif ve Negatif
Aralıklarını algılayarak, bu aralıklarda α kontrol açısı ayarlanabilen biri Pozitif ve diğeri
Negatif olmak üzere 2 sinyal üretir. Doğrultucu ve AC kıyıcılarda, Pozitif Sinyal ilgili fazın
Pozitif Elemanına ve Negatif Sinyal ilgili fazın Negatif Elemanına verilir. Örneğin, yukarıdaki
AC kıyıcı temel devre şemasında, u1 gerilimini algılayan faz kontrol devresi, bu gerilimin + ve yarı peryotlarında olmak üzere 2 sinyal üretmekte, bu sinyallerden + olanı T1 ve – olanı T4
tristörünün tetiklenmesinde kullanılmaktadır.
Triyak, bilindiği gibi ters-paralel bağlı 2 tristöre eşdeğerdir. Ancak, sadece bir soğutucu ile
sadece bir kapıya sahiptir. AC kıyıcı devrelerinde, triyakın gücünün yettiği yere kadar, aynı faza
ait ters-paralel bağlı 2 tristör yerine daima bir adet triyak kullanılmaktadır. Böylece, AC
kıyıcıların maliyeti düşmekte ve kontrolü kolaylaşmaktadır. Bir faza ait + ve – sinyallerin her
ikisi de, o faza ait triyakın kapısına uygulanmalıdır. Bu durum da, yukarıda verilen triyaklı temel
devre şemasında görülmektedir.
Endüstriyel olarak, AC kıyıcılar ısı ve ışık kontrolü amacıyla daha çok omik yüklerde
kullanılmaktadır.
AC kıyıcılar, bütün güç elemanlarının sürekli sinyallerle tetiklenmesi veya yine bütün güç
elemanlarının daima α = 0 olarak tetiklenmesi ile AC Şalterler olarak kullanılmaktadır.
AC şalterlerde, devreye giriş ve çıkışlarda, AC şebekeden geçici harmonikler çekilir. Bunu
önlemek için Sıfır Gerilim Şalteri kullanılır. Sıfır Gerilim Şalterleri, daima (+) yarım dalganın
başında devreye girer ve (-) yarım dalganın sonunda devreden çıkar.
AC kıyıcılarda, kesme açısı α ile güç kontrolü yapıldığı sürece, yük omik dahi olsa şebekeden
reaktif güç çekilir ve daima harmonikler oluşur. Bu mahsuru en aza indirebilmek için, sadece
omik yüklerde Dalga Paketleri Yöntemi ile güç kontrolü yapılır. Bu yöntemde, örneğin, AC
şebekenin 10 tam peryodu bir kontrol peryodu olarak seçilir. 10 peryot içerisinde yüke
uygulanacak olan tam peryot sayısı değiştirilerek güç kontrolü sağlanır. Örneğin, kontrol oranı
3/10 için, şebekenin 10 peryodundan 3’ü yüke uygulanır. Bu yöntem motor kontrolünde
kullanılamaz.
48
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
TEK FAZLI AC KIYICILAR
Devre Şeması ve Temel Dalga Şekilleri
Omik Yüklü Tek Fazlı AC Kıyıcı
Omik-Endüktif Yüklü Tek Fazlı AC Kıyıcı
49
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Çıkış Gerilimi İfadeleri
Omik Yüklü Tek Fazlı AC Kıyıcı
π
1
2
U ç2 = ∫ U fm
sin 2 (ωt )d (ωt )
πα
Omik-Endüktif Yüklü Tek Fazlı AC Kıyıcı
π+ α
1
2
U ç2 = ∫ U fm
sin 2 (ωt )d (ωt )
π α
π
π+ α
11 2
=
U fm ∫ (1 − cos 2(ωt ))d (ωt )
π2
α
11 2
=
U fm ∫ (1 − cos 2(ωt ))d (ωt )
π2
α
π
π+ α
1
1 2
=
U fm (ωt ) − sin 2(ωt )
2
2π
α
1 2
1
=
U fm (ωt ) − sin 2(ωt )
2π
2
α
=
1 2 ⎡
1
⎤
U fm ⎢π − α + sin 2α ⎥
2π
2
⎣
⎦
=
2
U fm
2
1
⎤
⎡1
⎢⎣ π (π − α + 2 sin 2α)⎥⎦
1
⎡1
⎤
= U f2 ⎢ (π − α + sin 2α)⎥
2
⎣π
⎦
=
U fm
2
1
1
(π − α + sin 2α)
π
2
= Uf
1
1
(π − α + sin 2α)
π
2
Uç =
1 2 ⎡
1
⎤
U fm ⎢π + γ − α − (sin 2(π + γ ) − sin 2α)⎥
2π
2
⎣
⎦
2
U fm
2
1
⎤
⎡1
⎢⎣ π (π + γ − α + 2 (sin 2α − sin 2 γ )⎥⎦
1
⎡1
⎤
= U f2 ⎢ (π + γ − α + (sin 2α − sin 2 γ )⎥
2
⎣π
⎦
=
U çα =
U fm
2
= Uf
1⎡
1
⎤
π + γ − α + (sin 2α − sin 2 γ )⎥
⎢
2
π⎣
⎦
1⎡
1
⎤
π
+
γ
−
α
+
(sin 2α − sin 2 γ )⎥
⎢
π⎣
2
⎦
Çıkış Akım ve Gücü
Iç = If = U ç / R
2
Pç = U ç I ç = U ç / R
α = 0 için,
U ç = U ç max = U f
I ç = I f = I ç max = I f max = U f / R
2
Pç = Pç max = U ç max I ç max = U f I ç max = U f / R
Kısa Açıklama
•
•
•
•
•
•
•
Faz kesme kontrolü, tek fazlı AC kıyıcılarda, faz geriliminin sıfır noktaları referans (α=0)
olmak üzere yapılır.
Çıkış gerilimi, tek fazlı AC kıyıcılarda, faz gerilimi ile belirlenir.
Omik yükte, genellikle α anında kısa süreli sinyaller ile tetikleme sağlanır. α anında
tetiklenerek iletime giren bir tristör, π anında akımın sıfır olmasıyla kesime girer. Bir
elemanın kontrol aralığı 0<α<π ve iletim aralığı α<β<π şeklindedir.
Omik-endüktif yükte, genellikle α-π aralığında uzun süreli sinyaller ile tetikleme sağlanır.
α anında tetiklenerek iletime giren bir tristör, π+γ anında akımın sıfır olmasıyla kesime
girer. Bir elemanın kontrol aralığı φ<α<π ve iletim aralığı φ <β<π+γ şeklindedir.
Her iki yük durumunda da, α açısına bağlı olarak, elemanların iletiminde ve çıkış
geriliminde boşluklar oluşur.
Her iki yük durumunda da, AC şebekeden çekilen akımın DC bileşeni yoktur. Ancak, α
açısına bağlı olarak, akımda faz farkı ve harmonikler oluşur.
Tek fazlı AC kıyıcılarda, güç elemanları faz gerilimine maruz kalır.
50
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
3 FAZLI AC KIYICILAR
3 Fazlı AC Kıyıcıların Temel Prensipleri
3 Fazlı bir Sistemde Kontrol Aralıkları
3 Fazlı bir Sistemin Vektörel Diyagramı
Açıklama
•
Kontrol aralıkları, genellikle faz gerilimlerine göre belirlenir.
•
Örneğin, U1, U2 ve U3 faz gerilimlerin pozitif aralıkları sırasıyla T1, T3 ve T5 negatif
aralıkları ise T4, T6 ve T2 tristörlerinin kontrol aralıkları olarak kullanılabilir.
•
Ancak, faz ve fazlar arası gerilimler arasındaki ilişkiler dikkate alınarak, kontrol aralıkları
faz veya fazlar arası gerilimlere göre tasarlanabilir.
•
U12, U23 ve U31 fazlar arası gerilimleri, sırasıyla U1, U2 ve U3 faz gerilimlerinden 30o
ileridedir.
•
U13, U21 ve U32 fazlar arası gerilimleri ise, sırasıyla U1, U2 ve U3 faz gerilimlerinden
30o geridedir.
•
Çıkış gerilimleri, iletimde olan elemanlara göre, faz ve/veya fazlar arası gerilimler
kullanılarak belirlenir.
•
Genellikle omik olan yük, Y veya Δ bağlı olabilmekte ve her ikisinde de maliyet ve
kontrol kolaylığı açılarından farklı devre yapıları oluşturulabilmektedir.
•
Güç Elemanları, genellikle fazlar arası gerilimlere maruz kalır.
51
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Yükü Y Bağlı 3 Fazlı AC Kıyıcıların Muhtelif Devre Şemaları
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Güç elemanları AC şebeke faz girişlerine bağlıdır.
Yükün Y bağlı olduğu genel devre şemasıdır.
Y noktası N ile bağlı değildir.
Kontrol faz gerilimlerine göre yapılır.
Elemanlar fazlar arası gerilimlere maruz kalır.
•
•
•
•
Güç elemanları AC şebeke faz girişlerine bağlıdır.
Y noktası N ile bağlıdır.
Her bir faz kolu, bağımsız olarak tek fazlı bir AC
kıyıcı gibi çalışır.
Kontrol faz gerilimlerine göre yapılır.
Elemanlar faz gerilimlerine maruz kalır.
52
•
•
•
•
•
•
Güç elemanları AC şebeke faz girişlerine bağlıdır.
Her bir fazın negatif elemanları olarak diyotlar
kullanılmıştır.
Fazlar arası geçmek zorunda olan akımlar ancak
tristörler üzerinden devreyi tamamlayabileceğinden,
aynı kontrol sağlanır.
Burada amaç, maliyetin azaltılmasıdır.
Kontrol faz gerilimlerine göre yapılır.
Elemanlar fazlar arası gerilimlere maruz kalır.
Güç elemanları AC şebeke faz girişlerine bağlıdır.
Herhangi bir fazın elemanları olarak diyotlar
kullanılmıştır.
Fazlar arası geçmek zorunda olan akımlar ancak
tristörler üzerinden devreyi tamamlayabileceğinden,
aynı kontrol sağlanır.
Burada da amaç, maliyetin azaltılmasıdır.
Kontrol faz gerilimlerine göre yapılır.
Elemanlar fazlar arası gerilimlere maruz kalır.
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Yükü Δ Bağlı 3 Fazlı AC Kıyıcıların Muhtelif Devre Şemaları
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Güç elemanları AC şebeke faz girişlerine bağlıdır.
Yükün Δ bağlı olduğu genel devre şemasıdır.
Kontrol faz gerilimlerine göre yapılır.
Elemanlar fazlar arası gerilimlere maruz kalır.
•
•
•
•
•
•
Güç elemanları Δ yükün fazlarına seri bağlıdır.
Her bir faz kolu, fazlar arası gerilim ile fakat
bağımsız olarak tek fazlı bir AC kıyıcı gibi çalışır.
Kontrol fazlar arası gerilimlere göre yapılır.
Elemanlar fazlar arası gerilimlere maruz kalır.
53
•
•
•
•
Güç elemanları AC şebeke faz girişlerine bağlıdır.
Her bir fazın negatif elemanları olarak diyotlar
kullanılmıştır.
Fazlar arası geçmek zorunda olan akımlar, ancak
tristörler üzerinden devreyi tamamlayabileceğinden,
aynı kontrol sağlanır.
Burada amaç, maliyetin azaltılmasıdır.
Kontrol faz gerilimlerine göre yapılır.
Elemanlar fazlar arası gerilimlere maruz kalır.
Güç elemanları AC şebeke faz girişlerine bağlıdır.
Herhangi bir fazın elemanları olarak diyotlar
kullanılmıştır.
Fazlar arası geçmek zorunda olan akımlar, ancak
tristörler üzerinden devreyi tamamlayabileceğinden,
aynı kontrol sağlanır.
Burada da amaç, maliyetin azaltılmasıdır.
Kontrol faz gerilimlerine göre yapılır.
Elemanlar fazlar arası gerilimlere maruz kalır.
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
AKTİF GÜÇ DENGESİ
Devre kayıpları ihmal edildiğinde, bir AC kıyıcının giriş ve çıkışındaki aktif güçler birbirine
eşit olur. AC şebeke tarafındaki aktif güç, akımın efektif temel bileşeni ve bu bileşenin kayma
faktörü ile hesaplanır. AC çıkıştaki aktif güç ise, yükün omik olması durumunda, efektif çıkış
gerilimi ve yükün direnci ile bulunabilir. Bu durumda, güç dengesi,
Pg = Pç
q Uf If1 Cos φ1 = q (Uç2/R)
şeklinde ifade edilebilir.
BİR ELEMANIN MARUZ KALDIĞI AKIM VE GERİLİM
AC şalter veya ayarlayıcılarda faz başına öncelikle bir adet triyak veya ters-paralel bağlı 2 adet
tristör kullanılmaktadır. Kontrollü veya kontrolsüz hat akımının tamamı bir triyaktan veya yarım
dalgası bir tristörden geçer. Kontrolsüz akım, kontrollü akımın α = 0 olan özel bir durumudur.
Tam dalga durumunda bir triyaktan geçen doğrultulmuş ortalama ve efektif akımlar,
π
π
I TAV
1
= ∫ I fm sin(ωt )d (ωt )
πα
1
π
I fm cos(ωt ) α
π
1
= I fm (1 + cos α)
π
1
I TAV =
2I f max (1 + cos α)
π
2
⇒ α = 0 için, I TAV =
2I f max
π
I
2
TEF
1 2
= ∫ I fm
sin 2 (ωt )d (ωt )
πα
π
=
=
11 2
I fm (1 − cos 2(ωt ))d (ωt )
π 2 ∫α
π
1
1 2
=
I fm (ωt ) − sin 2(ωt )
2
2π
α
1
⎡1
⎤
2
I TEF
= I f2 max ⎢ (π − α + sin 2α)⎥
2
⎣π
⎦
1
1
I TEF = I f max
(π − α + sin 2α)
π
2
2
2
⇒ α = 0 için, I TEF = I f max
I TEF = I f max
Yarım dalga durumunda bir tristörden geçen ortalama ve efektif akımlar,
α = 0 için,
1
I TAV =
2I f max
π
1
2
I TEF
= I f2 max
2
1
I TEF =
I f max
2
1
2I f max (1 + cos α)
2π
1
1
⎡1
⎤
= I f2 max ⎢ (π − α + sin 2α)⎥
2
2
⎣π
⎦
I TAV =
2
I TEF
I TEF =
1
1
1
I f max
(π − α + sin 2α)
π
2
2
şeklinde hesaplanır.
54
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Güç elemanları, tek fazlı ve sadece Y noktası N ile bağlı olan 3 fazlı AC kıyıcılarda, faz
gerilimlerine maruz kalır ve
UDRM, URRM >
2 Uf
şeklinde, diğer bütün 3 fazlı AC kıyıcılarda fazlar arası gerilimlere maruz kalır ve
UDRM, URRM >
6 Uf
şeklinde seçilir.
KONU İLE İLGİLİ ÇÖZÜLMÜŞ PROBLEMLER
Problem 1
2,2 kW’lık tek fazlı bir ısıtıcı triyaklı bir AC şalter üzerinden beslenmektedir. AC şebekenin faz
gerilimi 220 V olduğuna göre, devre kayıplarını ihmal ederek,
a) AC şebeken çekilen faz akımını bulunuz.
b) Triyakın ortalama ve efektif akımlarını hesaplayınız.
c) Triyakın maruz kaldığı maksimum gerilimi bulunuz.
Çözüm
a) AC şebeken çekilen faz akımı,
P = q. U f . If . cos ϕ
2,2.103 = 1.220. If .1
⇒ I f = 10 A
b) Triyakın doğrultulmuş ortalama ve efektif akımları,
I TAV =
I TEF = If
I TEF =10 A
2
. 2. If
π
2
. 2 .10
π
ITAV = 9 A
=
c) Triyakın maruz kaldığı maksimum gerilim,
U T max = 2 .U f
= 2 . 220
U T max = 311,1 V
bulunur.
55
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Problem 2
Güç katsayısı 0,75 olan 100 kW’lık bir 3 fazlı yük, tristörlü bir AC şalter üzerinden
beslenmektedir. AC şebekenin faz gerilimi 220 V olduğuna göre, devre kayıplarını ihmal ederek,
a) AC şebeken çekilen faz akımını bulunuz.
b) Bir tristörün ortalama ve efektif akımlarını hesaplayınız.
c) Bir tristörün maruz kaldığı maksimum gerilimi bulunuz.
Çözüm
a) AC şebeken çekilen faz akımı,
P = q. U f . If . cos ϕ
100.103 = 3.220. I f .0,75
⇒ I f = 202 A
b) Bir tristörün ortalama ve efektif akımları,
1
ITAV = . 2. If
π
1
= . 2 .202
π
I TAV = 90,93 A
I TEF =
1
.I f
2
1
.202
2
ITEF =142,8 A
=
c) Bir tristörün maruz kaldığı maksimum gerilim,
U T max = 6 .U f
= 6 . 220
U T max = 538,9 V
bulunur.
Problem 3
33 kW’lık 3 fazlı bir ısıtıcı triyaklı bir AC şalter üzerinden beslenmektedir. AC şebekenin faz
gerilimi 220 V olduğuna göre, devre kayıplarını ihmal ederek,
a) AC şebeken çekilen faz akımını bulunuz.
b) Bir triyakın ortalama ve efektif akımlarını hesaplayınız.
Çözüm
a) AC şebeken çekilen faz akımı,
P = q. U f . If . cos ϕ
33.103 = 3.220. If .1
⇒ If = 50 A
b) Bir triyakın ortalama ve efektif akımları,
56
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
I TEF = I f
I TEF = 50 A
2
I TAV = . 2 . If
π
2
= . 2 .50
π
I TAV = 45,02 A
bulunur.
Problem 4
11 kW’lık tek fazlı bir fırın tristörlü bir AC kıyıcı ile kontrol edilmektedir. AC şebekenin faz
gerilimi 220 V olduğuna göre, devre kayıplarını ihmal ederek,
a) AC şebeken çekilen maksimum faz akımını bulunuz.
b) Tristörün maksimum ortalama ve efektif akımlarını hesaplayınız.
c) α=90° için, fırının gerilim ve gücünü bulunuz.
d) α=90° için, tristörün ortalama ve efektif akımlarını hesaplayınız.
Çözüm
a) AC şebeken çekilen maksimum faz akımı,
Pmax = q. U f . If max . cos ϕ
11.103 = 1.220. If max .1
⇒ If max = 50 A
b) Tristörün maksimum ortalama ve efektif akımları,
1
I TAV max = . 2 . If max
π
1
= . 2 .50
π
ITAV max = 22,51 A
1
1
.If max =
.50
2
2
= 35,36 A
I TEF max =
I TEF max
c) α=90° için, fırının gerilim ve gücü,
= 220
11.103
(50) 2
220
R=
Ω
50
2
Uç
Pç =
R
11.103 = 1. R.(50) 2
⎛ 220 ⎞ 50
=⎜
⎟ ⋅
⎝ 2 ⎠ 220
Pç = 5,5 kW
Uç = Uf
1
1
(π − α + sin 2α )
π
2
⇒ R=
1
π 1
π
(π − + sin 2 )
π
2 2
2
220
V
Uç =
2
Pç max = q. R. I f2 max
2
57
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
d) α=90° için, tristörün ortalama ve efektif akımları,
ITAV =
1
2If max (1 + cos α)
2π
I TEF =
1
2 .50. (1 + cos 90°)
2π
ITAV = 11,25 A
=
1
1
1
I f max
(π − α + sin 2α)
π
2
2
1
1
π 1
π
.50. (π − + sin( 2 ))
π
2 2
2
2
ITEF = 25 A
=
Problem 5
4,4 kW’lık tek fazlı bir ısıtıcı triyaklı bir AC kıyıcı ile kontrol edilmektedir. AC şebeke faz
gerilimi 220 V olup, devre kayıpları ihmal edilecektir. α=0° ve α=90° için,
a) Yük ve triyak gerilimlerini bulunuz.
b) Yük, triyak ve faz akımlarını hesaplayınız.
c) Yük ve triyakta harcanan güçler ile şebekeden çekilen güçleri hesaplayınız.
Çözüm
a) α=0° için,
U ç = U ç max = U f
U ç = 220 V
α=90° için,
1
1
Uç = Uf
(π − α + sin 2α )
π
2
= 220
U t = U t min
Ut = 0 V
1
π 1
π
(π − + sin( 2 ))
π
2 2
2
220
=155,6 V
2
Sinüsoidal gerilim 0°-90° aralığında triyak ve
90°-180° aralığında yükün uçlarındadır.
Uç =
U t = U ç =155,6 V
yazılabilir. Aynı zamanda,
2
2
2
Uf = Uç + U t
şeklinde de ifade edilebilir.
b) α=0° için,
I ç = I t = I f = I f max
=
α=90° için,
Iç = I t = If
Pmax
Uf
Iç = If max
4,4.103
220
I ç = I t = I f = 20 A
1
1
(π − α + sin 2α)
π
2
1
π 1
π
(π − + sin( 2 ))
π
2 2
2
20
Iç = I t = If =
= 14,14 A
2
=
= 20
58
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
c) α=0° için,
Pt = 0
⇒ Pg = Pç = 4,4 kW
PROF. DR. HACI BODUR
α=90° için,
Pt = 0
2
⇒ Pg = Pç = U ç I ç = U ç / R
=
220 20
2 2
⇒ Pg = Pç = 2,2 kW
Not: Bir AC kıyıcıda, efektif olarak triyakın gerilim ve akımının çarpımıyla, triyakta harcanan
güç bulunamaz. Triyakın gerilim ve akımı eşzamanlı değildir.
Bir dirençte ise, gerilim ve akım eşzamanlı olduğundan, bu ikisinin çarpımı güce eşittir.
59
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
7. DC-DC DÖNÜŞTÜRÜCÜLER / DC KIYICILAR
GİRİŞ
DC-DC Dönüştürücülerin Genel Özellikleri
Endüstride yüksek frekanslı devreler
olarak bilinen ve son yıllarda kullanımı
yaygınlaşan dönüştürücü türüdür.
Temel Özellikleri
Ud : Girişteki DC kaynak gerilimi
Uç : Çıkıştaki ortalama DC gerilim, Uç = f(λ)
λ : Darbe / Peryot Oranı, Doluluk Oranı
: Bağıl İletim Süresi
D : Serbest Geçiş Diyodu
Başlıca Uygulama Alanları
• DC motor kontrolü
• Anahtarlamalı güç kaynakları
• Akümülatör şarjı
• Galvanoteknikle kaplama
• DC motor alan besleme
• DC kaynak makinaları
• DC regülatörler
• DC şalterler
• DC gerilim kaynakları
• Kontrol lineerdir.
• DC PWM Yöntemi ile kontrol
sağlanır.
• DC PWM kontrolü, en kolay kontrol
yöntemi olarak bilinir.
• Çıkış gerilimi ortalama olarak kontrol
edilir.
• Yüksek frekanslı devreler olarak
bilinir.
• Hem giriş hem de yük tarafında ciddi
dalgalanmalar oluşabilir. Ancak, bu
dalgalanmalar kolayca düzeltilebilir.
• Zorlamalı komütasyonludur.
• Genel olarak, yüksek güç ve düşük
frekanslarda SCR, orta güç ve orta
frekanslarda BJT, düşük güç ve yüksek
frekanslarda MOSFET, kullanılır.
IGBT ise, ortanın üzerindeki güç ve
frekanslarda kullanılır.
DC-DC Dönüştürücülerin Genel Olarak Sınıflandırılması
Anahtarlanan endüktansların enerji aktarımı prensibine göre çalışan DC-DC dönüştürücüler,
1. Endüktanslı ( temel, izolasyonsuz, tek çıkışlı)
2. Transformatörlü ( izolasyonlu, tek veya çok çıkışlı )
olmak üzere 2 genel gruba ayrılmaktadır. Endüktanslı dönüştürücülerin,
a) Düşürücü ( Buck )
b) Yükseltici ( Boost )
c) Düşürücü-Yükseltici ( Buck-Boost )
olmak üzere 3 temel türü bulunmaktadır. Bu kaynakların tasarımı transformatörlü olanlardan
daha kolaydır. Ancak, en önemli dezavantajları giriş ve çıkış arasında izolasyonunun
olmamasıdır. Transformatörlü dönüştürücülerin ise,
60
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
a)
b)
c)
d)
e)
PROF. DR. HACI BODUR
Geri Dönüşlü ( Fly Back )
İleri Yönlü ( Forward )
Tam Köprü ( Full Bridge )
Yarım Köprü ( Half Bridge )
Push–Pull ( Push-Pull )
türleri mevcuttur. Bu kaynakların en önemli özelliği, giriş ile çıkış arasında izolasyonun olması
ve çok sayıda çıkışın elde edilebilmesidir. Ayrıca, bu kaynaklar prensip olarak endüktanslı temel
dönüştürücülerden herhangi birisinin özelliğini taşır.
DC kıyıcılar, bir endüktans gerektirmeden, bir DC gerilimi yüksek frekansta kıyarak çıkıştaki
ortalama DC gerilimi giriş geriliminin altında olmak üzere ayarlayan, temel olarak düşürücü türe
giren ve yaygın olarak DC motor kontrolünde kullanılan dönüştürücüler olarak bilinmektedir.
DC kıyıcıların, tek, 2 ve 4 bölgeli olarak çalışan türleri mevcuttur.
DC-DC Dönüştürücülerde Kontrol Yöntemleri
Prensip olarak DC-DC dönüştürücülerin
kontrolü, bir yarı iletken güç anahtarının
bir peryot içerisindeki bağıl iletim süresi
λ ayarlanarak yapılır. Bu kontrol, oldukça
kolay bir şekilde, bir testere dişi sinyal ile
ayarlanabilen bir kontrol geriliminin
karşılaştırılmasıyla sağlanır. Burada, λ
bağıl iletim süresi,
λ = Ti / Tp = Ukont / Utstmax
şeklinde hesaplanabilir. λ bağıl iletim
süresi ve çıkış geriliminin kontrolü,
aşağıda verilen 2 temel şekilde
yapılmaktadır.
1. Sabit frekans altında darbe genişliği
değiştirilerek yapılmakta ve buna
Darbe
Genişlik
Modülasyonu
(DGM, PWM) denilmektedir.
2. Darbe genişliği sabit tutularak
frekansın değiştirilmesi ile yapılmakta
ve buna Frekans Modülasyonu (FM)
denilmektedir.
Ti : İletim Süresi veya Darbe Genişliği
Tk : Kesim Süresi
Tp : Darbe veya Anahtarlama Peryodu
fp : Darbe veya Anahtarlama Frekansı
Tp = Ti + Tk
fp = 1 / Tp
λ = Ti / Tp
Ti = λ Tp = Tp - Tk
Tk = (1-λ) Tp = Tp – Ti
Endüstriyel uygulamalarda, giriş ve
çıkıştaki
dalgalanmaların
filtre
edilebilmesi açısından, frekansın sabit
kalması istenmekte ve yaygın olarak
PWM yöntemi kullanılmaktadır.
61
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
TEK BÖLGELİ TEMEL DC KIYICILAR
Devre Şeması ve Temel Dalga Şekilleri
Omik Yüklü Temel DC Kıyıcı
Omik-Endüktif Yüklü Temel DC Kıyıcı
Akım İfadeleri
Omik Yüklü Temel DC Kıyıcı
Iç = Uç / R
Omik-Endüktif Yüklü Temel DC Kıyıcı
iç = Iç
IT = λ Iç
iç = iT = id
id = iT
iç = iT + iD
Iç = IT = Id
Iç = IT + ID
Çıkış Gerilimi ve Çalışma Bölgeleri
T
1 i
Uç =
U d dt
Tp ∫0
=
0 ≤ λ ≤1
0 ≤ Uç ≤ Ud
Ti
Ud
Tp
Uç = λ Ud
62
I D = (1 − λ) I ç
Id = λ Iç
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Kısa Açıklama
•
•
•
•
•
•
•
•
•
DC kıyıcı prensip olarak bir kontrollü güç elemanı (transistör, aktif eleman) ve bir
kontrolsüz güç elemanı (diyot, pasif eleman) ile elde edilir.
Kontrol ve iletim aralığı, her iki yük durumunda da, 0<λ< 1 ve 0<Ti< Tp şeklindedir.
Enerji akışı, transistör iletimde iken DC kaynaktan DC yüke doğrudur. Diyot iletimde iken
ise, DC yükte biriken enerji diyot üzerinden serbestçe dolaşır.
Çıkış gerilimi, her iki yük durumunda da, transistör iletimde iken DC giriş gerilimine ve
kesimde iken sıfıra eşittir. Gerilim tek yönlü ve pozitiftir.
Giriş akımı, her iki yük durumunda da, transistör akımına eşittir. Akım da tek yönlüdür.
Omik-endüktif yüklerde, yük akımı kesintisiz ise, bir peryot içerisinde ya transistör ya da
diyot iletimdedir. Çıkış akımında boşluk oluşmaz. Çıkış akımı, daima transistör ve diyot
akımlarının toplamına eşittir.
Omik-endüktif yüklerde yük akımının devamını sağlamak için yüke ters-paralel bir
diyodun konulması zorunludur. Aksi halde, transistör akımı keserken, endüktans aşırı emk
üretir ve devre ile elemanlar hasar görür. Uygulamalarda, yük omik bile olsa, emniyet
açısından yine diyot konulur.
Çıkış gerilimi ile giriş ve çıkış akımlarında, λ oranına bağlı olarak dalgalanmalar oluşur.
Omik-endüktif yükte, yük endüktansı çıkış akımını düzeltilir.
Güç elemanları DC giriş gerilimine maruz kalır.
İKİ BÖLGELİ DC KIYICI
Çıkış Gerilimi ve Akım İfadeleri
Tp
T
⎤
1 ⎡i
U ç = ⎢ ∫ U d dt + ∫ − U d dt ⎥
Tp ⎢ 0
⎥⎦
Ti
⎣
1
=
U d Ti − (Tp − Ti )
Tp
[
=
[
Devre Şeması ve Temel Dalga Şekilleri
]
]
1
2Ti − Tp U d
Tp
U ç = (2λ − 1) U d
0 ≤ λ ≤1
−Ud ≤ Uç ≤ Ud
iç = iT + iD
Iç = IT + ID
IT = λ Iç
id = iT − iD
I D = (1 − λ) I ç
Id = IT − I D
I d = (2λ − 1) I ç
Çalışma Bölgeleri
63
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Kısa Açıklama
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Kontrol ve iletim aralığı, yine 0<λ< 1 ve 0<Ti< Tp şeklindedir.
Bir peryot içerisinde ya transistör ya da diyot iletimdedir. Çıkış akımında boşluk oluşmaz.
Çıkış gerilimi, transistör iletimde iken DC giriş gerilimine ve diyot iletimde iken negatif
olarak DC giriş gerilimine eşittir.
Çıkış akımı, daima transistör ve diyot akımlarının toplamına eşittir.
Giriş akımı, daima transistör akımından diyot akımını çıkarılarak bulunur.
Enerji akışı, transistör iletimde iken DC kaynaktan DC yüke doğru, diyot iletimde iken
DC yükten DC kaynağa doğrudur.
Ortalama ve sonuç olarak, transistörlerin iletim aralığı daha büyük iken DC kaynaktan
enerji çekilir, diyotların iletim aralığı daha büyük iken DC kaynağa enerji verilir.
Tek yönlü akım ve çift yönlü gerilim ile 2 bölgeli çalışma elde edilir. Çalışma bölgeleri,
tam kontrollü doğrultucular gibidir.
Güç elemanları DC giriş gerilimine maruz kalır.
GENELLEŞTİRİLMİŞ SONUÇLAR
Çıkış Gerilimleri ve Çalışma Modları
Çıkış Gerilimi Değişimleri
Tek bölgeli DC kıyıcılarda,
Uç = λ Ud
İki bölgeli DC kıyıcılarda,
Uç = (2λ-1) Ud
λ=0
λ < 1/2
λ = 1/2
λ > 1/2
λ=1
için, Uç = - Uçm = - Ud
için, Uç < 0 ⇒ Neg. Çal. Modu
için, Uç = 0
için, Uç > 0 ⇒ Poz. Çal. Modu
için, Uç = Uçm = Ud
Poz. Çal. Modu ⇒ DC kay. ⎯⎯⎯→ DC yük
Enerji
Neg. Çal. Modu⇒ DC kay. ←⎯
⎯⎯ DC yük
Enerji
2 bölgeli DC kıyıcılar, tek yönlü akım, 2
yönlü gerilim, 2 yönlü enerji akışı ve
böylece 2 bölgeli çalışma sağlar.
Aktif Güç Dengesi
Pg = Pç ⇒ Ud Id = Uç Iç
Elemanlarının Maruz Kaldığı Akım ve Gerilim
ÖNEMLİ NOT : 2 bölgeli 2 adet kontrollü
doğrultucunun ters-paralel bağlanmasıyla 4
bölgeli bir AC-DC dönüştürücü, benzer
şekilde 2 bölgeli 2 adet DC kıyıcının tersparalel bağlanmasıyla, 4 bölgeli bir DC-DC
dönüştürücü elde edilebilmektedir. Her
ikisinde de 2 yönlü gerilim ve akım ile 2
yönlü enerji akışı sağlanabilmektedir.
Araştırınız.
Iç = IT + ID
ITAV = λ Iç
I DAV = (1 − λ ) I ç
ITEF = λ Iç
I DEF = (1 − λ) Iç
U DRM , U RRM > U d
64
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
KONU İLE İLGİLİ ÇÖZÜLMÜŞ PROBLEMLER
Problem 1
Giriş gerilimi 250 V ve anahtarlama frekansı 10 kHz olan tek bölgeli bir DC kıyıcı ile 50 A’lik
bir DC motor kontrol edilmektedir. Devre kayıplarını ihmal ederek, çıkış akımının sürekli ve
sabit olduğunu kabul ederek, bağıl iletim süresi 3/5 iken,
a) Peryot ile transistör ve diyodun iletim sürelerini hesaplayınız.
b) Motor gerilimi ile gücünü bulunuz.
c) Transistör ve diyodun ortalama akımlarını bulunuz.
d) Transistör ve diyodun efektif akımlarını hesaplayınız.
e) Giriş akımı ile gücünü bulunuz.
Çözüm
a) Tp =
1
1
=
f p 10.10 3
c)
3
= 50
5
I T = 30 A
Iç = IT + ID
Tp = 100 μs
Ti = λTp
3
= 100
5
Ti = 60 μs
Tk = Tp − Ti
= 100 − 60
Tk = 40 μs
50 = 30 + I D
⇒ I D = 20 A
d)
ITEF = λ Iç
3
50
5
= 38,73 A
=
b) U ç = λU d
I TEF
3
250
5
U ç = 150 V
I DEF = (1 − λ) Iç
=
Pç = U ç .I ç
= 150.50
Pç = 7,5 kW
I T = λI ç
3
= (1 − ) 50
5
I DEF = 31,62 A
e)
Id = IT
I d = 30 A
Pg = U d .I d
= 250. 30
Pg = 7,5 kW
Pg = Pç = 7,5 kW
65
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Problem 2
Giriş gerilimi 100 V ve darbe frekansı 20 kHz olan 2 bölgeli bir DC kıyıcı ile 10 A’lik bir DC
alıcı beslenmektedir. Çıkış akımının sabit ve devrenin kayıpsız olduğunu kabul ederek,
a) λ=7/10 için, alıcının gerilim ve gücünü, transistör ve diyot ile girişin ortalama akımlarını
hesaplayınız. Güç dengesinin gösteriniz ve çalışma modunu belirtiniz.
b) λ=2/10 için, aynı soruları cevaplayınız.
Çözüm
a) λ=7/10 için,
U ç = (2λ − 1) U d
b) λ=2/10 için,
U ç = (2λ − 1) U d
7
− 1).100
10
U ç = 40 V
2
− 1).100
10
U ç = −60 V
I T = λI ç
I T = λI ç
7
10
10
IT = 7 A
I D = Iç − IT
= 10 − 7
ID = 3 A
Id = IT − I D
= 7−3
Id = 4 A
Pg = U d .I d
= 100.4
Pç = 400 W
2
10
10
IT = 2 A
I D = Iç − IT
= 10 − 2
ID = 8 A
Id = IT − I D
= 2−8
I d = −6 A
Pg = U d .I d
= 100. − 6
Pç = −600 W
Pg = Pç = 400 W
Pg = Pç = −600 W
Çalışma (+) modda.
Enerji akışı DC kaynaktan DC yüke
doğrudur.
Örneğin, akümülatör şarj oluyor, DC
kaynaktan enerji çekiyor.
Çalışma (-) modda.
Enerji akışı DC yükten DC kaynağa
doğrudur.
Örneğin, uçları ters çevrilmiş bir
akümülatör deşarj oluyor, DC kaynağa
enerji veriyor.
= (2.
= (2.
=
=
66
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
8. DC-AC DÖNÜŞTÜRÜCÜLER / İNVERTERLER
GİRİŞ
DC-AC Dönüştürücülerin Genel Özellikleri
Endüstride yüksek frekanslı devreler olarak
bilinen ve son yıllarda kullanımı yaygınlaşan
dönüştürücü türüdür.
Temel Özellikleri
Ud : Girişteki DC kaynak gerilimi
Uç : Çıkıştaki AC efektif faz gerilimi
Uç = f (md) veya Uç = f (ma)
md : Modülasyon Doluluk Oranı
ma : Modülasyon Genlik Oranı
: Modülasyon Katsayısı
mf : Modülasyon Frekans Oranı
Başlıca Uygulama Alanları
• AC motor kontrolü
• Kesintisiz güç kaynakları
• Endüksiyonla ısıtma
• Yüksek gerilinde DC taşıma
• DC gerilim kaynakları
• Kontrolün lineer olduğu kabul edilir.
• Yaygın olarak AC PWM Yöntemi ile
kontrol sağlanır.
• Çıkış gerilimi efektif olarak kontrol edilir.
• Yüksek frekanslı devreler olarak bilinir.
• Giriş tarafında ciddi dalgalanmalar ve
çıkış
tarafında
ciddi
harmonikler
oluşabilir. Ancak, bu dalgalanmalar
kolayca düzeltilebilir.
• Zorlamalı komütasyonludur.
• Genel olarak, yüksek güç ve düşük
frekanslarda SCR, orta güç ve orta
frekanslarda BJT, düşük güç ve yüksek
frekanslarda MOSFET, kullanılır. IGBT
ise, ortanın üzerindeki güç ve frekanslarda
kullanılır.
DC-AC Dönüştürücülerin Genel Olarak Sınıflandırılması
DC-AC dönüştürücüler,
Besleme kaynağı açısından,
İletim süresine göre,
a) 1800 iletimli inverterler
b) 1200 iletimli inverterler
a) Gerilim Kaynaklı İnverterler
b) Akım Kaynaklı İnverterler
Tek fazlı inverterler,
Devre yapısına göre,
Faz sayısına göre,
a) Tek Fazlı İnverterler
b) Üç Fazlı İnverterler
a) Yarım Köprü İnverterler
b) Tam Köprü İnverterler
c) Push-Pull İnverterler
Kontrol açısından,
olmak üzere sınıflandırılmaktadır. Gerilim
kaynaklı ve PWM inverterler, endüstride
daha yaygın olarak kullanılmaktadır.
a) Kare Dalga İnverterler
b) Boşluklu (Kısmi) Kare Dalga İnverterler
c) PWM İnverterler
67
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
TEK FAZLI KARE DALGA İNVERTERLER
Yarım Köprü Kare Dalga İnverter
π
U a2 =
Tam Köprü Kare Dalga İnverter
2
1 ⎛ Ud ⎞
⎜
⎟ d ( ωt )
π ∫0 ⎝ 2 ⎠
Ud
2
π
2 Ud
U a1 = ∫
sin(ωt ) d (ωt )
π0 2
Ua =
U ab = U d
U ab1 =
2 2 Ud
U a1 =
π 2
2 2
Ud
π
Bu inverter 4 transistör ve 4 diyot ile
Bu inverter sadece 2 transistör ve 2 diyot ile gerçekleşmektedir. Normal bir inverter devresi olup,
gerçekleştirilir. Devre yapısı basit ve ucuzdur. Ancak, herhangi bir sınırlama veya özel şart gerektirmez.
orta uçlu bir gerilim kaynağı gerektirir. Böyle bir Elamanlar Ud gerilimine maruz kalır.
kaynak pratik olarak pek mümkün olmadığından, bazı
özel endüstriyel uygulamalarda kullanılmaktadır.
Elamanlar Ud gerilimine maruz kalır.
68
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Push-Pull Kare Dalga İnverter
Kare Dalga İnverterlerde
• 1800 iletimli kare dalga inverterlerde,
kontrol için sadece bir flip-flop yeterlidir.
Aynı faza ait 2 transistörün her ikisi de
1800 iletimde kalır. Transistörlerin
iletimleri arasında boşluk olmadığından,
çıkış ucunun potansiyeli daima belirlidir
ve çıkış bir gerilim kaynağıdır. Ancak,
aynı faza ait 2 transistörün aynı anda
iletimde kalmasıyla bir kısa devrenin
oluşmaması için, bu transistörlerin
sinyalleri arasında ölü süre denilen bir
boşluğun bırakılması gerekmektedir.
• Kare dalga inverterlerde, frekans
inverter içerisinde kontrol edilmekte,
gerilim ise ancak Darbe Genlik
Modülasyonu ile girişteki DC gerilimin
genliği
değiştirilerek
kontrol
edilebilmektedir.
• 1200 iletimli kare dalga inverterlerde,
aynı faza ait 2 transistörün iletimleri
arasında 60’ar derecelik boşluklar
olduğundan, yükün özelliklerine göre
çıkış geriliminde bozulmalar olmaktadır.
Ancak ölü süreye gerek yoktur.
Genel Olarak İnverterlerde
• Enerji akışı, tristörler iletimde iken DC
kaynaktan AC yüke doğru ve diyotlar
iletimde iken AC yükten DC kaynağa
doğrudur.
• Çıkışta gerilim ve akım ile enerji 2 yönlü
olabilmektedir. Böylece, inverterler 4
bölgeli olarak çalışabilmektedir.
• Bir peryot içerisinde, ortalama enerji
akışı DC kaynaktan AC yüke doğru ise
devrenin inverter modunda, enerji akışı
AC yükten DC kaynağa doğru ise
doğrultucu modunda çalıştığı anlaşılır.
• DC kaynaktan çekilen akım için,
Id = IT − I D
Ud
a
2 2 Ud
U abs1 =
2
π
a
U abs = 2
• Giriş ve çıkıştaki aktif güçler için,
Pg = Pç ⇒ Ud Id = q U1 I1 Cosφ1
eşitlikleri yazılabilir.
Bu inverter de sadece 2 transistör ve 2 diyot ile gerçekleştirilir.
Devre yapısı yine basit ve ucuzdur. Ancak, primeri orta uçlu bir
transformatör gerektirir. İzolasyon amacıyla bir transformatör
zaten genellikle istendiğinden, bu devre endüstriyel
uygulamalarda en yaygın olarak kullanılan en basit ve en ucuz
inverter türüdür.
Elamanlar 2Ud gerilimine maruz kalır. Ancak çıkış gerilimi de
normalin 2 katıdır.
69
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
BOŞLUKLU KARE DALGA İNVERTERLER
2
π−θ
⎛U ⎞
∫θ ⎜⎝ 2d ⎟⎠ d(ωt )
U kont
U
φ
Ua = md d ⇒ md = =
2
π U üçg max
U a2 =
1
π
2
U a1 =
π
U a1 =
Boşluklu kare dalga inverterlerde, aynı faza ait 2 transistörün
iletimleri arasında boşluklar olduğundan, çıkış geriliminde
yükün özelliklerine göre bozulmalar olmaktadır. Ancak ölü
süreye gerek yoktur.
π−θ
∫
θ
Ud
sin(ωt ) d (ωt )
2
φ
2 2 Ud
sin
π 2
2
Boşluklu kare dalga kontrolü, tek ve 3 fazlı
bütün inverterlere uygulanabilmektedir. Doluluk
oranı md değiştirilerek çıkış gerilimi kontrol
edilmektedir. Bu kontrol aslında tek darbeli bir
PWM kontrolüdür.
SİNÜSOİDAL PWM İNVERTERLER
ma : Modülasyon Genlik Oranı
mf : Modülasyon Frekans Oranı
fs : Üçgen Dalga Frekansı
: Taşıyıcı Frekansı
: Anahtarlama Frekansı
f1 : Sinüsoidal Dalga Frekansı
: Temel veya Ana Frekans
: Modülasyon Frekansı
ma =
f
U kont max
mf = s
U üçg max
f1
m a ≤ 1 için, U a1 = m a
1 Ud
2 2
ma ≤ 1
: Modülasyon Altı Çalışma
ma > 1
: Lineer Çalışma
: Modülasyon Üstü Çalışma
: Lineer Olmayan Çalışma
: Aşırı Modülasyon
m a ≥ 3 : Kare Dalga Çalışma
Endüstride en yaygın olarak kullanılan kontrol yöntemi PWM ve en yaygın
olarak kullanılan PWM yöntemi de Sinüsoidal PWM yöntemidir.
Sinüsoidal PWM inverterlerde, bir sinüsoidal kontrol gerilimi ile daha
yüksek frekanslı bir üçgen sinyalin karşılaştırılmasıyla kontrol sağlanır.
Sinüsoidal gerilime, temel gerilim, modülasyon gerilimi veya kontrol gerilimi
denilir. Üçgen sinyale, taşıyıcı dalga da denilmektedir.
70
PWM inverterlerde, gerilim ve
frekans inverter içerisinde kontrol
edilmektedir. PWM kontrolü, tek
ve 3 fazlı bütün inverterlere
uygulanabilmektedir. Harmonik
seviyesi oldukça düşüktür.
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
ÜÇ FAZLI KARE DALGA İNVERTERLER
Üç fazlı inverterlerin çalışma prensibi tek
fazlılara
oldukça
benzerdir.
Çıkış
geriliminin bozulmaması açısından 1800
iletimli olanları tercih edilir. Çoğu
uygulamalarda ve özellikle kesintisiz güç
kaynaklarında, harmoniklerin çok az
olduğu PWM kontrolü kullanılmaktadır.
Anahtarlama kayıpları açısından kare
dalga inverterler oldukça avantajlıdır. Kare
dalga inverterlerde Doluluk Oranı
değiştirilerek gerilim kontrolü yapılabilir.
NOT : AC filtrenin çıkış gerilimi, giriş
geriliminin temel bileşenine eşittir. DC
filtrenin çıkış gerilimi ise, giriş geriliminin
ortalama değerine eşittir.
Üç Fazlı 1800 İletimli İnverter
Ud
2
2
U ab =
Ud
3
Ua =
Üç Fazlı 1200 İletimli İnverter
2 2 Ud
π 2
6
U ab1 =
Ud
π
2 Ud
3 2
1
U ab =
Ud
2
U a1 =
Ua =
71
6 Ud
π 2
3
=
Ud
2π
U a1 =
U ab1
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
KONU İLE İLGİLİ ÇÖZÜLMÜŞ PROBLEMLER
Problem 1
Giriş gerilimi 250 V ve frekansı 20 kHz olan tam köprü kare dalga bir inverter ile 25 Ω’luk bir
ısıtıcı beslenmektedir. Devre kayıplarını ihmal ederek,
a) Peryot ile transistörlerin iletim sürelerini bulunuz.
b) Alıcının gerilimi ile akım ve gücünü hesaplayınız.
c) DC kaynaktan çekilen akımı bulunuz.
d) Bir transistörün ortalama ve efektif akımlarını hesaplayınız.
e) Transistörlerin maruz kaldığı maksimum gerilimi bulunuz.
Çözüm
a) f=20 kHz olduğuna göre,
1
1
T= =
f 20.10 3
T = 50 μs
Yük omik olduğuna göre,
T 50
TT = =
2
2
TT = 25 μs
b) Tam köprü tam dalga inverter için,
U ab = U d
U ab = 250 V
Yük omik olduğuna göre,
U
250
I ab = ab =
R
25
I ab = 10A
Pç = U ab .I ab =
= 250.10
Pç = 2,5 kW
2
U ab
R
c)
Kayıpları ihmal edildiğine göre,
Pg = Pç
U d .I d = Pç
250.I d = 2,5.10 3
⇒ I d = 10 A
d)
Bir transistörden yarı peryot içerisinde
10 A geçtiğine göre,
1
I TAV = 10
2
I TAV = 5 A
1
10
2
= 7,071 A
I TEF =
I TEF
f)
72
Tam dalga bir inverterde,
U T max = U d
U T max = 250 V
bulunur.
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Problem 2
12 V’luk bir akümülatör ile çalışan push-pull türü kare dalga bir inverterin çıkış gerilimi filtre
edilerek, P=1200 W, U=220 V, f=50 Hz, cosϕ=0,8 değerlerine sahip olan tek fazlı bir AC alıcı
beslenecektir. Devre kayıplarını ihmal ederek,
a) Kullanılacak transformatörün dönüşüm oranını hesaplayınız.
b) DC kaynaktan çekilen ve AC alıcının çektiği akımları bulunuz.
c) Bir güç elemanının maruz kaldığı maksimum gerilimi bulunuz.
d) Bir diyottan geçen ortalama akım 25 A olarak ölçüldüğüne göre, bir transistörün ortalama
akımını hesaplayınız.
Çözüm
a) Bir AC filtrenin çıkış gerilimi, giriş
geriliminin temel bileşenine eşit olur.
Push-pull kare dalga inverter için,
2 2 Ud
U abs1 =
2
π
a
2 2 12
220 =
2
π
a
⇒ a = 1 / 10,18
bulunur.
b) AC alıcının çıkış gücünden,
Pç = U ab1 . I ab1 . cos ϕ1
1200 = 220 . I ab1 . 0,8
⇒ I ab1 = 6,818A
bulunur.
c) Push-pull türü bir inverter kullanıldığına
göre,
U T max = 2 U d
U T max = 2.12
U T max = 24V
bulunur.
d) Bütün inverterler için,
Id = IT − ID
olduğuna göre,
100 = I T − 25
I T = 125A
bulunur.
Giriş ve çıkış gücünün eşitliğinden,
Pg = U d .I d
1200 = 12.I d
I d = 100A
bulunur.
73
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Problem 3
Giriş gerilimi 200 V ve frekansı 10 kHz olan tam köprü türü tek fazlı bir inverterde, boşluklu
kare dalga kontrolü ile 10 Ω’luk bir alıcının gücü ayarlanmaktadır. Devre kayıplarını ihmal
ederek,
a) Alıcının nominal akım ve gücünü bulunuz.
b) Alıcı geriliminin nominalin yarısına düşmesi için, doluluk oranı hangi değere
ayarlanmalıdır?
c) Alıcı gücünün nominalin yarısına düşmesi için, doluluk oranı hangi değere
ayarlanmalıdır?
d) Doluluk oranı 3/5 iken, bir transistörün kaç derece ve kaç μs iletimde kaldığını bulunuz.
e) Doluluk oranı 2/5 iken, bir transistörün ortalama ve efektif akımlarını hesaplayınız.
Çözüm
a) Alıcının normal akım ve gücü,
U ab = m d U d
d)
m d = 1 için,
U ab = U d = 200 V
U
200
I ab = ab =
R
10
I ab = 20 A
Pç = U ab .I ab = 200.20
φ 3
=
π 5
3
⇒ φ = π = 108°
5
φ = 2πf .TT
3
π = 2π.10.10 3.TT
5
⇒ TT = 30 μs
md =
Pç = 4 kW
b) Gerilimin yarıya düşebilmesi için,
U ab = m d U d
e)
Ud
= md Ud
2
⇒ m d = 1/ 4
c) Gücün yarıya düşebilmesi için,
2
U ab
Pç =
R
2
2
1 U d U ab
⋅
=
2 R
R
1
⇒ U ab =
Ud
2
U ab = m d U d
m d = 3 / 5 için,
Pg = Pç
m d = 2 / 5 için,
Her bir transistör yarı peryotta çalıştığına
göre,
1
I TAV = m a .20
2
1 2
I TAV = ⋅ 20
2 5
I TAV = 4 A
1 2
⋅ 20
2 5
= 8,944 A
I TEF =
I TEF
bulunur.
1
Ud = md Ud
2
⇒ m d = 1/ 2
74
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
9. GÜÇ ELEMANLARINDA KAYIPLAR VE ISINMA
GÜÇ KAYIPLARI
Bir yarı iletken güç elemanında aşağıda sıralanan dört temel kayıp oluşur.
1. Tetikleme veya Sürme Kayıpları
Elemanın kontrol veya giriş akımı nedeniyle oluşan kayıptır.
PG =
1
∫ u G .i G .dt
T
2. Anahtarlama Kayıpları
Elemanın iletime ve kesime girme işlemleri esnasında oluşan kayıplardır.
PS = PON + POFF
3. Kapama veya Tıkama Kayıpları
Elemanın pozitif ve negatif kapama durumlarında geçen sızıntı akımlar sebebiyle oluşan
kayıplardır.
PB = PP + PN
4. İletim Kaybı
Elemanın iletimi esnasında oluşan kayıptır.
PT =
1
∫ u T .i T .dt
T
Bu durumda, toplam güç kaybı,
P = PG + PB + PS + PT
olur. Kontrol ve kapama kayıpları genellikle dikkate alınmaz.
Anahtarlama kayıpları, kataloglarda genellikle bir anahtarlamadaki enerji kayıpları şeklinde
verilir. Bu enerji kayıplarının frekansla çarpılmasıyla 1 s’deki enerji kayıpları olan anahtarlama
güç kayıpları bulunur.
Ws = WON + WOFF
Ps = f p .Ws
Düşük frekanslarda, örneğin SCR‘de 400 Hz, BJT‘de 1 kHz ve MOSFET‘te 10 kHz
değerlerinin altında, anahtarlama güç kayıpları da ihmal edilerek,
P ≅ PT alınabilir.
75
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
İLETIM GÜÇ KAYIPLARI
İletim kayıplarının güç elemanlarına göre ne şekilde hesaplanabileceği aşağıda verilmiştir.
TRANSİSTÖRDE
PT =
1
∫ u CE .i C .dt Sabit bir gerilim düşümü için,
T
PT = UCE ICAV
MOSFETTE
PT =
1
1
2
2
∫ u DS .i D .dt =
∫ rDS .i D .dt = rDS ∫ i D dt
T
T
PT = rDS IDEF2
TRİSTÖR VE DİYOTTA
PT =
1
1
∫ u T .i T .dt = ∫ ( U TO + rT .i T )i T .dt
T
T
PT = UTO
1T
1T 2
i
.
dt
r
+
∫ T
∫ i T dt
T
T0
T0
PT = UTO . ITAV + rT . ITEF2
TERMİK EŞDEĞER DEVRE VE ISINMA
Genellikle bir soğutucuya bağlı olan bir güç elemanındaki sıcaklık tanımları ve termik eşdeğer
devresi ile sıcaklık hesaplarının nasıl yapılabileceği aşağıda verilmiştir.
θA : Ortam Sıcaklığı
θH : Soğutucu Sıcaklığı
θC : Gövde Sıcaklığı
θvj : Jonksiyon Sıcaklığı
θC = θA + P . RThCA
θvj = θA + P (RThCA + RThJC )
= θA + P . RThCA + P . RThJC
θvj = θC + P . RThJC
RThJC : İç Termik Direnç (°C / W)
RThCA : Dış Termik Direnç (°C / W)
Soğutma, Güç elemanları aşağıda verilen iki temel şekilde soğutulmaktadır.
1. Doğal Soğutma : Eleman alüminyum veya bakır bir soğutucuya monte edilir. Isı doğal olarak
soğutucudan havaya yayılır.
2. Zorlamalı Soğutma : Eleman yine alüminyum veya bakır bir soğutucuya monte edilir. Ayrıca
fan, su veya yağ ile soğutma güçlendirilir.
76
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
KONU İLE İLGİLİ ÇÖZÜLMÜŞ PROBLEMLER
Problem 1
Bazı karakteristikleri verilen bir tristörden kesme açısı ayarlanabilen yarım sinüs dalgası
şeklinde bir akım geçmektedir. Tristör zorlamalı olarak soğutulmakta olup, soğutma havası
sıcaklığı 40 °C’dir.
a) Kesme açısı 30° iken, tristörün jonksiyon sıcaklığının 104 °C olduğu bilindiğine göre,
geçen sinüsoidal akımın maksimum değeri kaç A’dir?
b) 50 A’lik bir DC akım geçirilen bu tristörün jonksiyon sıcaklığı kaç °C olur?
c) Bu tristörden en fazla kaç A’lik bir DC akım geçirilebilir?
UTO
= 1,2 V
rT
= 10 mΩ
RThJC = 0,20 °C / W
RThCA = 0,20 °C / W
İşletme Sıcaklığı : -55 °C ile 125 °C
Çözüm
a) α = 30 0 için,
π
I
1
ITAV =
I m S int dt = m (1 + cos α )
∫
2π α
2π
ITEF2=
π
1
I m2
1
2
2
I
Sin
tdt
=
(π − α + Sin 2α )
m
∫
2π α
4π
2
θvj = θA + P (RThCA + RThjC ) ⇒ 104 = P. 0,4 + 40 ⇒ P = 160 W
P = UTO . ITAV + rT . ITEF2
1
I
I2
160 = UTO . m (1 + cos α ) + rT . m (π − α + Sin 2α )
2
4π
2π
Im1 = 193,5 A
Im2 = -340 A ⇒ Im = 193,5 A
b) ITAV = ITEF = 50 A için,
P = UTO . ITAV + rT . ITEF2 ⇒ P = 1,2 . 50 + 10 . 10-3 . 502 ⇒ P = 85 W
θvj = θA + P (RThCA + RThjC ) ⇒ θvj = 85 (0,2+0,2) +40 ⇒ θvj = 74 C0
c) 125 = PTmax . 0,4 + 40 ⇒ PTmax = 212,5 W
212,5 = 1,2 Im +10 . 10-3 Im2
Im1 = 97,5 A
Im2 = -217,5 A ⇒ Im = 97,5 A
ÖNEMLİ NOT : Temel dönüştürücülerde, gerilim ve akımlar, genellikle kesilmiş yarım ve
tam dalga bir sinüs fonksiyonu ile kıyılmış bir DC fonksiyon şeklindedir. Bu fonksiyonların
ortalama ve efektif değerlerinin hesaplanmasının iyi bilinmesi gerekir. Güç kayıpları ve ısınma
hesapları, bundan sonra dönüştürücü soruları ile birlikte yapılacaktır.
77
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
10. TEMEL KONTROL ELEMANLARI
ZENER DİYODU
Sembol
u-i karakteristiği
UBD : Zener Devrilme Gerilimi
rZ
: Zener Direnci
IZMIN : Minimum Zener Akımı
PDM : Maksimum Zener Gücü
IZMAX : Maksimum Zener Akımı (Ortalama)
PDM = UZ . IZ ≅ UBD . IZMAX
uZ = UBD + rZ . iZ
uZ = UBD + ΔU
uZ ≅ UBD ≅ UZ ≅ Sabit
Zener diyodu, dalgalı doğru gerilimden
düzgün doğru gerilim elde etmek için veya
gerilim regülasyonu amacıyla kullanılır.
Zener Diyodunun Temel Devresi
Bu devrede,
u
− UZ
i Z = AB
− iy
r
uZ = UBD + rZ . iZ
uZ ≅ UBD = UZ = Uy
U AB min − U BD
− I Y max
r
U
− U BD
I Z max = AB max
− I Y min
r
IZmin ≤ iZ ≤ IZmax
I Z min =
Zener diyodunun sabit gerilim üretebilmesi için,
r≤
iz ≥ IZMIN
olmak zorundadır. Bu durunda genel olarak,
U AB min − U BD
I ZMİM + I Y max
ifadesi yazılabilir.
78
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
r direncinin değişmesiyle bandın aşağı yukarı
(↓↑ ) yer değiştirmesi zener diyotun güç
kaybını etkiler.
En ekonomik dizayn için,
IZmin ≅ IZMİN
olarak seçilmesi gerekir.
Zener Diyotlu Örnek bir Devre
79
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
DEVRİLEN ELEMANLAR
Shockley Diyodu
Kapı ucu çıkarılmamış özel bir tristördür. İki uçlu ve tek yönlü devrilen bir elemandır.
u-i karakteristiği
Sembol
UP : Devrilme Gerilimi
Ud : Delinme Gerilimi
u ≥ UP : İletime girer.
i ≥ IP : İletime girer.
i ≥ IV : İletimde kalır.
i < IV : Kesime girer.
UP, UV, IP, IV : Önemli katalog değerlerdir.
Shockley Diyotlu Bir Osilatör Devresi
Rmin ≥ birkaç kΩ
Rpot ≅ birkaç yüz kΩ
Ro ≤ 100 Ω
R = Rmin + Rpot
U − UV
Rmin ≥ d
IV
ICmax ≤ IV
Temel Dalga Şekilleri
Rmax = Rmin + Rpotmax
U − UP
Rmax ≤ d
IP
ICmin ≥ IP
UP < Ud ise, devre çalışır.
IC < IP ise, uC hiç UP’ye erişemez ve hiç sinyal elde edilemez.
IC > IV ise, iletime giren eleman artık iletimden çıkmaz ve birinci sinyalden sonra artık
sinyal elde edilemez. Uygulamada sınır değerlerden uzak durulur.
uC = Ud ( 1 – e -t / RC )
τ = RC
τ : zaman sabiti
80
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
uC = UP ⇒ t ≅ T ⇒
PROF. DR. HACI BODUR
T ≅ RC . ln
Ud
Ud −UP
bulunur.
Diyak
Sembol
u-i karakteristiği
Diyak, 2 uçlu ve 2 yönlü
devrilen bir elemandır.
AC uygulamalarda en yaygın
olarak kullanılan en basit ve
en ucuz 2 yönlü devrilen
elemandır.
Neon Lamba
Sembol
u-i karakteristiği
Neon lamba, 2 uçlu ve 2
yönlü devrilen bir elemandır.
Bir yarı iletken değildir ve
içerisi neon gazı ile doludur.
Endüstride daha çok gösterge
lambası olarak
kullanılmaktadır.
Devrilme geriliminin yüksek olması bir dezavantaj, sızıntı
akımının çok düşük olması ise bir avantaj olarak söylenebilir.
60V < UP < 100 V
isız = Birkaç μA
Diğer Bazı Devrilen Eleman Örnekleri
UJT (Unijunction Transistor) : 3 uçlu tek yönlü devrilen bir elemandır. Bu eleman, çift tabanlı
bir transistördür.
PUT (Programmable Unijunction Transistor) : 3 uçlu tek yönlü devrilen bir elemandır. Bu
eleman, Anot tarafından kapı ucu çıkarılan özel bir tristördür.
SUS (Silicon Unilateral Switch) : 3 uçlu tek yönlü devrilen bir elemandır. Bu eleman, 2
transistör ve bir zener diyodu ile bir dirençten oluşan basit bir entegre devredir.
SBS (Silicon Bilateral Switch) : 3 uçlu iki yönlü devrilen bir elemandır. Bu eleman, ters paralel
bağlı 2 adet SUS’a eşdeğer olan bir entegre devredir.
NOT : Yukarıda sıralanan devrilen elemanlar, 555 ve diğer entegre devreler ile mikro
işlemcilerin gelişmesiyle, artık pek kullanılmamaktadır.
81
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
Osilatörlü Tek Fazlı bir AC Kıyıcı Örneği
Triyak ve Diyaklı AC Kıyıcı
Çalışma Prensibi
Açıklama
Temel Dalga Şekilleri
Bir adet triyak ve bir diyak
kullanılarak gerçekleştirilen tek
fazlı AC kıyıcı devreleri, ısı ve
ışık
kontrolü
amacıyla
endüstride en yaygın olarak
kullanılan, en basit ve en ucuz
bir AC kıyıcı türüdür.
Pozitif
Yarım
Dalgada,
dirençler üzerinden şarj olan
kondansatör geriliminin belli bir
α
açısında
Up
devrilme
gerilimine erişmesiyle diyak
devrilir. Kondansatörün diyak
üzerinden ani olarak deşarj
olması ile α anında triyak
tetiklenir. Tetiklenen triyak
üzerinden kondansatör dejarj
olarak resetlenir. π anında
akımın sıfır olmasıyla, triyak
kesime gider.
Negatif
Yarım
Dalgada,
negatif yönde benzer çalışma
oluşur.
Böylece, endüstride çok yaygın
olarak kullanılan, oldukça basit
ve ucuz bir AC kıyıcı devresi
gerçekleşir.
82
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
SİNYAL İZOLASYON ELEMANLARI
İzolasyonun Tanımı
Güç elektroniği devrelerinde, tetikleme veya sürme sinyalleri genellikle izole edilerek ana akım
elemanlarına iletilir. Bu işlem manyetik alanla ve ışıkla olmak üzere iki şekilde yapılabilir.
Tetikleme Transformatörü
Tetikleme transformatörü, küçük boyutlu bir
ferit nüveye az sarım sayılı bir primer ve bir ya da
birkaç sekonder sargı sarılarak elde edilir. Bütün
sargıların birbirlerine ve nüveye karşı izole
edilmeleri önemlidir.
Uiz : İzolasyon Gerilimi ( bir kaç kV mertebesinde)
L değeri birkaç yüz μH mertebelerinde olup, ancak kısa süreli sinyaller iletilebilir. Uzun süreli
sinyallerde, ilk anda çıkış verip sonra kısa devre özelliği gösterir.
Opto Bağlayıcılar
Opto bağlayıcı, girişlerindeki LED’den geçen akımın yaydığı ışıkla çıkışları iletime giren
elemanlardır. Kısa ya da uzun süreli sinyallerin iletilmesinde kullanılır. Opto Transistör, Opto
Darlington, Opto Tristör, Opto Triyak
Opto Transistörün Sembolü
Opto Triyakın Sembolü
83
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
KONU İLE İLGİLİ ÇÖZÜLMÜŞ PROBLEMLER
Problem 1
20 ile 30 V arasında dalgalanan bir DC gerilim kaynağından, 10 V’ luk ve 9 mA‘lık bir DC
alıcıyı beslemek üzere, 10 V ve 10 Ω ’luk bir zener diyot ile sabit bir DC gerilim kaynağı elde
edilmek isteniyor. Bu zener diyodu için, IZMIN=1 mA olduğuna göre,
a) Akımı sınırlayıcı direnç en fazla kaç ohm olabilir?
b) Aynı direnç için yük uçlarındaki tam gerilimin min ve max değerlerini bulunuz.
Çözüm
uZ = UBD + rZ . iZ
uZ ≅ UBD = UZ
a) uAB = UZ + r ( iZ + iY )
U
− U BD
U
− U BD
I Z min = AB min
− I Y max
I Z max = AB max
− I Y min
r
r
20 − 10
30 − 10
− 9.10 −3
I Zmax =
− 9.10 −3 = 11mA ⇒ IZmax = 11 mA
1.10 −3 =
1000
r
⇒ r = 1 kΩ bulunur.
b) UYmin = UZmin = UBD + rZ . IZmin = 10 + 10.1.10-2 = 10,010 V
UYmax = UZmax = UBD + rZ . IZmax = 10 + 10.11.10-2 = 10,110 V
Problem 2
15 – 18 V arasında dalgalanan bir DC gerilim kaynağından 12 V’luk ve 0 – 25 mA arasında
akım çeken bir DC alıcıyı beslemek üzere, 12 V ve 5 Ω ’luk bir zener diyot ile sabit bir DC
gerilim kaynağı elde edilmek isteniyor. Bu zener diyodu için IZmin=5 mA olduğuna göre,
a) Akım sınırlayıcı direnç en fazla kaç ohm olabilir?
b) Aynı direnç için yük uçlarındaki tam gerilimin min ve max değerlerini bulunuz?
Çözüm
U AB min − U BD
− I Y max
r
15 − 12
− 25.10 − 3
5.10 − 3 =
r
⇒ r = 100 Ω bulunur.
a) I Z min =
84
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
18 − 12
−0
100
IZmax = 60 mA
b) I Zmax =
UYmin = 12 + 5.5.10-3 =12,025 V
UYmax = 12 + 5.60.10-3 =12,300 V
Problem 3
Şekildeki devrede A ve B uçları
arasındaki düzgün olan gerilim
şebekedeki dalgalanma sebebiyle 1520 V arasında değişmektedir. Alıcının
gerilimi 12 V olup, çektiği akım 0-10
mA arasında değişmektedir. Devre en
ekonomik olacak şekilde, r direncinin
değerini ve zener diyodunun gücünü
hesaplayınız.
Çözüm
Devrenin en ekonomik hali, iZmin ≅ 0 durumunda oluşur.
U AB min − U Z
− I Y max
r
15 − 12
0=
− 10.10 −3
r
r = 300 Ω bulunur.
I Z min =
U AB max − U Z
20 − 12
− I Y min I Zmax =
−0
r
300
I Zmax ≅ 26,67mA
Bu akım sürekli değerde I ZDM ≅ 26,67 mA olur.
I Z max =
PDM = UZ . IZDM
= 12 . 26,67 . 10-3
PDM ≅ 320 mW bulunur.
Problem 4
10 V’luk bir DC gerilim kaynağı ve devrilme gerilimi 7,5 V olan bir shockley diyodu ile 10 kHz
frekanslı bir sinyal üretilmek istenmektedir. Shockley diyodunda Iv = 9 mA ve Uv = 1 V
olduğuna göre, osilatörün minimum direnci ile zaman sabitini hesaplayınız. 0,47 μF’lık bir
kondansatör kullanılırsa, potansiyometre kaç kΩ’a ayarlanmalıdır?
Çözüm
Ud − UV
IV
⇒ Rmin ≥ 1 kΩ
Rmin ≥
T = 1 / f = 1 / 10000 = 100 μs
Ud
T ≅ RC . ln
Ud −UP
⇒ RC = 72 μs bulunur.
85
C = 0,47 μF için,
(Rmin + Rpot ) C = 72 μs
⇒ Rpot = 152 kΩ
bulunur.
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
11. GÜÇ ELEKTRONİĞİNDE TEMEL KONTROL DÜZENLERİ
FAZ KONTROL YÖNTEMİ
Temel Dalga Şekilleri
Açıklama
Faz kontrol entegreleri, Faz veya Fazlararası
gerilimlerle çalışabilir, sadece senkronizasyon
örneğinin alındığı direnç değerleri değişir. Ancak,
kontrol açısından, entegrenin Sıfır (Şasi) ucunun
devrenin hangi noktası ile irtibatlı olduğu
önemlidir.
Faz Kontrol Yöntemi için verilen yandaki
açıklamaları dikkatlice inceledikten sonra, burada
verilen her bir dalga şeklinin nasıl elde edildiğini ve
ne anlama geldiğini yorumlamaya çalışınız.
Genel olarak AC Kıyıcı ve Doğrultucularda, Faz
Kontrol Yöntemi ve bu yönteme göre sinyal üreten
Faz Kontrol Entegreleri kullanılır. Prensip olarak
Faz Kontrol Yönteminde, AC şebekeden bir
senkronizasyon örneği alınır, bu örnek 2 yönlü
kare dalgaya dönüştürülür, böylece şebeke
geriliminin sıfır noktaları ile (+) ve
(-) yarı
peryotları belirlenir, her bir yarı peryotta birer
pozitif testere dişi dalga elde edilir, bu testere dişi
dalga
ile
bir
DC
referans
gerilimin
karşılaştırılması ile hem (+) hem de
(-) yarı
peryotlar için ayrı ayrı α faz kontrol açısı anlarında
faz kontrol sinyali üretilir. Testere dişi dalganın
genliği ve referans gerilimin değeri ayarlanabilir.
Testere dişi dalganın genliği belirli bir değere
kalibre edilir ve sabitlenir. Referans gerilim ise,
testere dişi gerilimin minimum ve maksimum
değerleri arasında değişebilecek şekilde kalibre
edilir. Normal çalışmada, bir potansiyometre ile
referans gerilim ayarlanarak, α faz kontrol açıları
değiştirilir. Ayrıca, (+) ve (-) faz kontrol
sinyalleri, kısa süreli olabileceği gibi, yarı
peryodun sonuna kadar devam da edebilir. Kısa
süreli sinyallerin süresi ayarlanabilir. Kısa veya
uzun süreli sinyallerin inversleri veya toplamları
da üretilmiş olabilir. Her faz kontrol entegresinde
bu ilave özelliklerin hepsi olmayabilir. Uygulama
türüne göre, sadece Pozitif veya sadece Negatif
sinyaller, Kısa Süreli veya Uzun Süreli sinyaller,
Toplam veya İnvers sinyaller kullanılabilmektedir.
Tek Fazlı AC Kıyıcı Devresi Örneği
Açıklama
AC kıyıcılar, tek fazlı veya 3
fazlı olarak uygulanmaktadır. 3
fazlı AC kıyıcılarda yük ise,
Yıldız (Y) veya Üçgen (Δ)
bağlı olabilmektedir.
Genel olarak AC kıyıcılarda,
Faz Kontrol Yöntemi ve bu
yönteme göre sinyal üreten Faz
Kontrol Entegreleri kullanılır.
Prensip olarak bu entegrelerde,
AC akımın pozitif yarım dalgasını T1 tristörü ve negatif yarım dalgasını AC şebeke gerilimi ile
senkronize bir şekilde, kısa
T2 tristörü geçirir.
ve/veya uzun süreli, pozitif ve
T1 tristörü entegrenin pozitif sinyalleri ve T2 tristörü entegrenin negatif negatif faz kontrol sinyalleri
86
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
sinyalleri ile tetiklenir. Katodu entegrenin sıfırına (0) veya şebekenin üretilir.
Bu
sinyallerin
nötrüne (N) bağlı olan T1 sinyallerinin izolasyonuna gerek yoktur. toplamları,
inversleri
ve
toplamlarının inversleri de
Ancak, bu şartı sağlamayan T2 sinyalleri izole edilmelidir.
entegre tarafından veya ilave
Ters-paralel bağlı 2 tristör yerine bir triyak kullanıldığında, sinyal devrelerle elde edilebilir.
izolasyonuna gerek kalmaz.
İki Fazlı Yarım Dalga Kontrollü Doğrultucu Devresi Örneği
Açıklama
Bir adet faz kontrol
entegresi
kullanılır.
Entegrenin sıfırı nötre
ve
senkronizasyon
girişi
U1
fazına
bağlanır.
Entegrenin
kısa
süreli
pozitif
sinyalleri T1 için ve
kısa süreli negatif
sinyalleri
T3
için
kullanılır.
Sinyaller
izole edilir.
DC-PWM KONTROL YÖNTEMİ
Temel Dalga Şekilleri
Açıklama
DC Kıyıcılarda, DC PWM kontrol
yöntemi kullanılmaktadır.
DC PWM kontrol yönteminde, bir testere
dişi sinyal ile bir referans gerilimin
karşılaştırılması ile kontrol sinyali elde
edilmektedir.
Çıkış
geriliminin
kontrolü,
referans
gerilimin
değiştirilmesi ile sağlanmaktadır.
Genellikle sabit tutulan testere dişi
sinyalin frekansı, anahtarlama veya
kıyma frekansı olarak anılmaktadır. Bu
frekans aynı zamanda devrenin çalışma
frekansıdır.
DC kıyıcılarda kısa devre olma özelliği
yoktur.
Kontrol kartının sıfırı (0), toprağa ya da
DC Kıyıcılarda, genellikle IGBT veya MOSFET güç DC kıyıcının negatif (-) barasına bağlıdır.
elemanları ve sürekli sinyal kullanılmaktadır. Tristörlü DC Genellikle sinyal izolasyonu gerekir.
kıyıcılarda, genellikle kısa süreli sinyaller kullanılır. Ayrıca,
iletim aralığının baş ve sonunda, kontrol dışında kalan avans
sürelerinin bırakılması gerekmektedir.
87
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
AC-PWM (SİNÜSOİDAL-PWM) KONTROL YÖNTEMİ
Temel Devre Şeması
Açıklama
•
•
Temel Dalga Şekilleri
•
•
88
PWM İnverterlerde, genellikle
IGBT veya MOSFET güç
elemanları ve sürekli sinyaller
kullanılmaktadır.
AC PWM kontrolu, düzenli
örneklenmiş,
sinüsodial
ve
harmonik eleminasyonlu olmak
üzere 3 genel gruba ayrılmaktadır.
Sinüsodial PWM tekniğinde, bir
sinüsoidal örnek ile bir taşıyıcı
üçgen sinyalin karşılaştırılmasıyla
çıkış sinyali elde edilmektedir.
Genellikle sabit tutulan taşıyıcı
üçgen
sinyalinin
frekansı,
anahtarlama
frekansını
belirlemektedir. Ayrıca, sinüsoidal
örneğin
frekans
ve
genliği
değiştirilerek, çıkış gerilimi ve
frekansının
kontrolu
sağlanmaktadır.
Karşılaştırma sonucu elde edilen
pozitif sinyal 0-π aralığında T1 ve
bu sinyalin inversi π-2π aralığında
T4 transistörüne uygulanır.
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
12. GÜÇ ELEKTRONİĞİNDE TEMEL KORUMA DÜZENLERİ
Genel Giriş
Yarı iletken güç elemanlarında, temel olarak elemanların maruz kaldığı elektriksel değerleri ve
elemanlarda oluşan anahtarlama kayıplarını sınırlama veya azaltma amacıyla yapılan
Bastırma İşlemi,
• Seri Bastırma
• Paralel Bastırma
olmak üzere iki genel gruba ayrılır.
Temel olarak, seri bastırma, güç elemanına seri olarak bağlanan küçük bir endüktans ile
iletime girme işlemi esnasında elemandan geçen akımın yükselme hızının sınırlanmasıdır.
Paralel bastırma ise, elemana paralel bağlanan küçük bir kondansatör ile kesime girme işlemi
sırasında eleman uçlarında oluşan gerilimin yükselme hızının sınırlanmasıdır. Bu elemanlara,
seri ve paralel bastırma elemanları denilir.
Yalın olarak bir endüktans veya bir kondansatör kullanılması bazı problemlere neden olur. Bu
nedenle, bazı ilavelerle bastırma işlemleri geliştirilmektedir. Böylece, Seri ve Paralel Bastırma
Devreleri veya Hücreleri oluşmaktadır. Bu bastırma devreleri, yayınlarda Sıfır Akımda
Anahtarlama (ZCS), Sıfır Gerilimde Anahtarlama (ZVS) ve Yumuşak Anahtarlama (SS) gibi
isimlerle de yer almaktadır.
Paralel Bastırma Devresi
Seri bağlı RB ve CB elemanlarına, paralel bastırma devresi, paralel bastırma hücresi veya paralel
R-C elemanı denilir. Güç elemanlarına veya genel devre girişlerine paralel olarak bağlanan bu RC elemanın iki temel görevi vardır.
1. Eleman uçlarındaki gerilimin maksimum değerini sınırlar veya bastırır. Bu elemanın
tahrip olmasını önler.
2. Eleman uçlarındaki gerilimin yükselme hızının maksimum değerini sınırlar veya
bastırır. Bu, elemanın anahtarlama güç kaybını azaltır. Tristörde, aynı zamanda
kendiliğinden iletime geçmeyi önler.
Şebeke girişine Δ bağlı paralel R-C elemanları ile AC şebekeden gelen bütün akım ve gerilim
darbelerine karşı bütün devre korunur.
89
GÜÇ ELEKTRONİĞİ
PROF. DR. HACI BODUR
⎛ du ⎞
⎜ ⎟ ↓
⎝ dt ⎠ m
⎛ du ⎞
RB↑ ⇒ Um ↓↑ ⎜ ⎟ ↑
⎝ dt ⎠ m
CB değerinin artması, hem Um hem de (du/dt)m değerlerini iyi yönde etkiler. RB’nin artması,
Um değerini her iki yönde de etkileyebilir, (du/dt)m değerini olumsuz etkiler. Bu nedenle RB
değerinin optimize edilmesi gerekir. Ayrıca, CB‘nin hem şarjı hem de deşarjı esnasında RB’de
enerji kaybı oluşur.
CB↑
⇒
Um↓
Uygulamada CB‘nin seçimi, frekansla doğrudan ilgilidir. CB‘nin sarj ve deşarj süreleri,
peryoda göre oldukça küçük olmalıdır. Ayrıca, RB‘deki güç kaybı, makul seviyelerde
kalmalıdır. Aksi halde devre amacından sapar. Normal olarak, frekans arttıkça CB değeri düşer.
Örneğin, 220 V ve 50 Hz‘lik AC şebekede, RB= 10 Ω / 5 W ve CB=220 nF seçilebilir. Birkaç
yüz V ve 10 kHz‘lik bir uygulamada, RB= 22 Ω / 10 W ve CB= 1 nF gibi seçilebilir.
Özellikle yüksek frekanslarda, RB‘nin olumsuz etkilerini
azaltmak için, güç elemanının iletim yönünde bir diyotla
RB‘nin köprülenmesi iyi sonuçlar vermektedir. Bu durumda
bastırma devresine Kutuplu veya Yönlü Bastırma Devresi
denilir. Bu bastırma, sadece pozitif yöndeki gerilimlerde
etkilidir.
Örnek bir Bastırma Hücresi
Burada, güç elemanının iletime girmesi esnasında, seri bastırma elemanı LS elemandan geçen
akımın yükselme hızı di/dt‘yi sınırlar. Ayrıca, dolu olan CS, RS üzerinden deşarj olur. Güç
elemanının kesime girmesi esnasında ise, kutuplu bastırma devresi, eleman uçlarındaki
gerilimin yükselme hızı du/dt‘yi ve maksimum değeri Um‘yi sınırlar. Böylece, güç elemanı hem
aşırı elektriksel değerlere karşı korunur hem de elemanın anahtarlama kayıpları büyük
ölçüde azalır.
90